车磨复合加工在航空业的应用

  摘要:车磨复合加工技术的出现为大幅度提高高精度轴类零件的加工效率和加工精度提供了一种新的解决方案。文章以瑞士STUDER公司的车磨复合加工机床为例,介绍了车磨复合机床的功能和绿色生态特点,分析了车磨复合加工相关的硬态车削技术和车磨复合工艺技术,并给出了车磨复合加工在航空产品中的应用实例。实例表明,车磨复合加工技术在航空液压产品的加工中具有一定的应用前景。
关键词:车磨复合加工 绿色生态机床 硬态车削

1、复合加工技术

  加工效率和加工精度是金属加工领域追求的永恒目标。在传统的机械加工流程中,由于在制品在不同设备之间流转,不可避免的产生加工等待、运输和定位装夹,等行为,这些因素既影响加工精度,又增加了生产辅助时间。随着计算机技术、数控技术,机床技术和工艺技术的不断发展,传统的加工理念已经不能满足人们对机械加工效率和精度的需要,在这样的背景下,复合加工技术孕育而生。一般来讲,复合加工技术就是在一台加工设备上完成不同加工工序或者不同工艺方法的加工技术的总称。目前,复合加工技术主要表现为两种不同的形式[1]:一种是以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合;另一种是以工序集中原则为基础的、以机械加工工艺为主的复合。车磨复合加工技术是近年来产生的一种新的复合加工方式。

  对于车削和磨削机床,适合加工的零件是回转类零件。磨削的特点是:磨削前毛坯一般都进行了淬火处理,毛坯的硬度高,所留余量较少,砂轮每次吃刀量少,相对车削加工效率较低。车削属于粗加工或半精加工工种,选择合适的刀具和切削参数后加工效率高。车磨复合加工设备集成了车削和磨削的特点,能够大幅度提高轴类零件,特别是高精度轴类零件的加工效率。

2、车磨复合机床及关键技术

  目前,车磨复合加工技术作为一种先进的制造技术,由于它的高精度性和只能加工回转类零件的局限性,在国内外应用较少。本文通过介绍一台车磨复合加工中心,对车磨复合技术的特点以及设备功能进行一定的研究和探索。

  车磨复合,就是在同一台设备上既能进行车削加工,又能进行磨削加工的一种复合方式。从复合加工的特点来说,就是一次装夹完成零件的车削和磨削工序,减少了的零件的装卸次数,避免重复定位误差,能够更好地保证零件精度。但,车磨复合加工设备又具备许多特点。

  为了大幅度提高轴类高精度零件的加工效率,瑞士STUDER公司推出车削和磨削复合的机床——S242车磨复合加工中心。该设备可配置左、右、正斜砂轮架和转塔刀架, 3种横向砂轮架和车刀架可有15种配置方案。设备具有一次装夹完成磨外圆、内孔,车削外圆、内孔的强大功能。其中之一配置参数如图1和表1所示。

  通过对S242的研究,对车磨复合加工的特点及关键技术进行探讨。

2.1、绿色生态机床

  机床在使用过程中不仅消耗能源,还会产生各种废弃物,对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。从整个机床生命周期内审视,如何减少对环境冲击的绿色生态机床就成为当前研究的热点。

  绿色生态机床愿景应该具有以下特点[2]:(1)机床主要零部件由再生材料制造。(2)机床的重量和体积减少50%以上。(3)通过减轻移动部件质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30%~40%。(4)使用过程的各种废弃物减少50%~60%,保证基本没有污染的工作环境。(5)报废后机床的材料100%可回收。

  S242车磨复合加工中心具有绿色生态机床的主要特征如下:

1) 床身采用Granitan S103人造花岗石。该种材料是树脂混凝土,与传统的铸铁结构相比,具有阻尼系数大、抗震性强、热稳定性好等一系列优点。

2) 可以进行硬车加工,硬车时采用干切削,不使用冷却液,消除了切削液对环境的污染。

3) 采用斜床身,排屑路径通畅,切屑不与床身直接接触,保持机床的热稳定性。

  机床绿色化是未来机床发展的一大特点。车磨复合加工中心融入绿色元素后,机床的刚性更强,加工效率和机床精度也有了大幅提高。

2.2、硬车加工技术

  车磨复合加工机床可以硬车加工。过去高硬度零件的精加工一直是采用磨削完成, 由于超硬材料刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高, 以硬态切削代替磨削完成零件的最终加工已成为一种新的精加工途径[3]。

  硬态车削是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。硬态车削与常规切削相比的显著特点就是径向切削力要大于主切削力。硬态车削还有切削温度高、刀具使用寿命短的特点,这就要求硬态车削的刀具耐热性和耐磨性应更好,机床系统要有高刚度、大功率以及较好的热稳定性。

表 2 硬态车削与磨削的比较[4]
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  S242车磨复合加工中心具有斜床身的导轨、足够的机床刚性和高精度,这些特征保证了该机床可以硬态车削。试验表明,选择合适的刀具和切削参数,在S242上进行外圆,外槽的淬硬车削加工,不仅能够很好的保证零件的尺寸精度和表面粗糙度要求,而且可以大幅度提高切削效率。对于高精度轴类零件的加工,完全可以采用“以车代磨”的加工思路。

  由表2可看出,“以车代磨”不仅能够大幅提高产品加工效率,而且加工成本低。车磨复合机床进行硬车加工具有很高的柔性,通过程序直接实现走圆弧、走斜线等运动轨迹,解决磨削对此类特征加工困难的问题。

2.3、车磨复合的工艺技术

  车磨复合加工技术对零件加工工艺也产生了很大的影响。传统的高精度轴类零件加工流程一般包括:毛坯-粗车-精车-热处理-粗磨-精磨工序。这种工艺流程的思路是,用粗车去毛坯的大部分余量,热处理前精车完成零件的基本外形加工并给磨削留一定的余量,热处理后零件的硬度一般达到57HRC以上,分粗、精磨保证零件的精度要求。对于细长轴或热处理易变形的轴类零件,这种典型的工艺流程具有一定的缺陷,主要会产生以下问题:

(1)热处理后零件易变形,尤其是在轴线方向也会发生伸长或缩短,磨削已无法消除零件的变形。

(2)精车后留多少余量合适难控制。精车后余量的多少对磨削工序会产生很大影响,如果精车留余量较少,热处理后零件变形,无法磨出零件要求的精度尺寸;如果余量较大,磨削时间变长,成本高,磨削困难。

(4)工艺流程长,加工周期相应变长。加工需要的设备较多,不可避免的产生等待浪费,搬运浪费等情况,增加产品的交付周期。

  采用车磨复合加工工序后,零件的加工流程如下:毛坯-粗车-热处理-车磨复合。粗车去大部分余量后热处理,然后进行车磨复合工序,对于易变形的加工特征,粗车留余量完全可满足要求。

车磨复合工序主要完成的内容和产生的效果有:

  (1)一次装夹,完成车削和精磨的工序,消除重复装卸带来的定位误差;

  (2)可以“以车代磨”,消除传统加工流程中精车留多少余量合适的问题,并且能够很好保证加工精度,提高加工效率;

  (3)硬车时可采用干切,消除了对环境的污染,同时可降低处理切屑成本。

  总之,采用以车代磨和车磨复合加工工艺方法,不仅能够大幅度提高产品的加工效率,而且能够更好的保证产品的加工质量。车磨复合工艺技术是对传统工艺方法的一次重大突破和变革。

3、车磨复合加工技术在航空业的应用

  近年来,随着航空工业迅速发展,航空产品多品种、小批量等特点越来越明显,产品的加工工艺过程更加复杂,且难加工材料应用越来越广,在制造过程中普遍存在制造周期长、材料切除量大、加工效率低以及加工变形严重等瓶颈。为了提高航空产品的加工效率和加工精度,工艺人员一直在寻求更为高效精密的加工工艺方法。车磨复合加工技术的出现对航空轴类零件的高效精密加工无疑是一个新的思路和解决方法。

表3 零件基本信息及切削参数
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  在航空液压舵机等系统中,阀芯、阀套类零件主要包括的特征有:滤油的内外胶圈槽、内外储油槽、需要精密配合的外圆和内孔。这些特征都有很高的尺寸、配合精度和表面质量,加工过程中易变形,加工难度大。车磨复合加工技术的出现,为此类问题提供了一个解决方案。

  如图2为航空某重点型号舵机液压阀芯,该零件的基本信息、切削参数、刀具参数及加工精度如表3所示。

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图2 航空液压阀芯模型

  实例表明,S242车磨复合加工中心通过“以车代磨”和车磨复合工艺技术的应用,不仅能够很好的保证加工精度,而且可大幅度提高加工效率。车磨复合加工技术在航空液压产品加工领域具有较大的应用前景。

4、结束语

  车磨复合加工机床的出现对提高高精度轴类零件的加工效率和加工精度有很大促进作用。但是,国内外在此方面的应用还很少。本文通过介绍S242车磨复合加工中心的功能和特点,分析了车磨复合加工的硬车技术和工艺技术,并给出了一个在航空产品方面的车磨复合加工应用实例。以此对车磨复合技术在航空产品加工领域进行初步的探索和研究。

参考文献
[1]. 吴宝海,张亚南,等.车铣复合的关键技术及应用前景[J].航空制造技术,2010(19).
[2]. 张曙.绿色生态机床[J]. WMEM, 2009, 4(2).
[3]. 岳彩旭,刘献礼,等.硬态切削技术[J].航空制造技术,2008(18).
[4]. 郭丽君.硬态切削刀具的性能与选用[J].机械设计与制造,2007,7(7).(end)

(中航工业西安飞行自动控制研究所 曹德君 戈迎喜)

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