高温合金弹簧机械加工论文

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1问题的提出

在航空航天领域中，弹簧应用非常广泛，能够提供弹力，储存弹性势能，实现其动能的互相转换、减震、施力。XXX弹簧是XXX膜盒组件中重要零件。XXX膜盒组件为某型号燃油调节器的重要的性能成附件，用来感受压气机出口压力变化输出位移直接作用于计量活门，改变计量活门开度从而控制流量。其性能和质量的好坏直接影响整个燃调的性能。某型航空高温合金类弹簧是我公司首例通过机械加工的办法制造的弹簧。以往弹簧的加工一般是由钢丝缠绕而成，但由于此型航空附件对于该弹簧的装配要求较高、力学性能较严，于是尝试用机械加工的方法制造该弹簧。①零件总圈数4圈，有效圈数3圈;宽度为3.3的螺旋首尾段圆弧圆心与原点连线在基准面投影夹角为15°，螺旋线导程6.8±0.05mm。②从自由长度压缩弹簧至34.3尺寸10次，自由长度应在图纸要求范围内。③修磨外径保证弹簧刚度K=（100±5）N/mm。(刚度每偏大1N/mm,外径尺寸修磨0.13mm。)④弹簧力工作区间为100N≤P≤400N。(K值在此范围内保证)

2问题的分析与解决

根据设计图的尺寸、形状、零件材料等要求，尝试通过以下三个方面解决加工问题。

2.1零件加工工艺的编制

通过分析零件设计图，零件下料为Φ45mm的棒料，长度选取280mm，可以加工5件。由于零件的外圆、孔、槽等多处需要加工，并考虑加工成本，我们选用了带动力头装置的车铣复合中心来试加工。车铣复合加工设备的出现为提高航空零件的加工精度和效率提供了一种有效解决方案。编制工艺，考虑车基准面、外圆、镗孔、铣槽在一台车铣复合加工中心加工能够实现。制定的工艺路线为：下料→粗钻孔→车基准面、外圆、镗孔、铣槽→去外圆毛刺→车另一端面→磨内孔→去内孔毛刺→检验→热处理→测刚度。零件的加工难度在车基准面、外圆、镗孔、铣槽→车另一端面。主要是刀具的选择。

2.2刀具的选择及加工参数

机械加工中一般的零件材料为低合金钢、奥氏体不锈钢、灰口球墨铸铁、铝、耐热合金、淬火钢，而该零件材料GH4169是镍铬钛铌钼合金，GH4169属高温合金，含有多种高熔点合金元素和其他元素，构成了纯度高、组织致密的奥氏体固熔合金。该材料导热系数很低（与45钢相比，相差甚远），不利于热平衡，因而影响刀具的耐用度。由于材料中存在大量碳化物、氮化物、硼化物以及金属间化合物，随着加工时零件温度的不断升高，其硬度也会有所上升。高温合金材料的这一特性主要表现在加工硬化现象十分严重，切削力大，比一般钢材大2～3倍，随着切削温度的升高，刀具磨损明显。选择加工的刀具和切削加工参数是十分重要的问题。针对高温合金加工的特点，和加工零件的精度要求，加工主要包含外圆车刀、钻头和铣刀三种刀具，表1进行一一选择和介绍：15°螺旋槽具体加工方法：为保证螺旋首尾段圆弧圆心与原点连线在基准面投影夹角为15°，利用UG绘制三维立体图，在立体图上取刀具初始点和结束点的坐标，用车铣复合加工中心编制程序，铣削弹簧宽2.3mm的螺旋槽。由于高温合金材料特性导致的刀具磨损快、切削困难等问题的出现，通过反复调试加工，最终确定了加工参数及步骤，即：铣槽时，先用标准长度Φ2.3带TiAlN涂层硬质合金立铣刀铣槽，标准长度立铣刀的刃长短、刚性比较好，可有效节省刀具的使用；铣削到深度3.5mm时，改用加长带TiAlN涂层硬质合金立铣刀加工；机床转速调至4000r/min，可将刀具的损耗降至最低，同时弹簧的表面质量及尺寸更好。通过对高温合金弹簧的加工总结出：无论是钻削还是镗削，机床运动精度及工艺系统刚性应尽量高，选用小巨人QTN200M/500。刀具的装夹选用高精度的刀柄夹头，精密强力夹头。切削用量要选择合理，一是通过切削用量控制切屑形状方便排屑；二是注意刀具寿命满足孔加工长度要求。粗钻孔时采用外冷方式时，为改善冷却和排屑效果，采用间隙进给方式，即每钻0.5mm深度立即退刀，以防止钻刃空转与孔底反复挤压摩擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度，钻尖要全部退出，其目的是对钻头及零件孔内进行冷却，提高切削液冷却效果，改善排屑条件。粗镗时可采用变切深切削方法，能减少刀具的边界磨损，延长刀具寿命，保证零件的粗糙度要求。

2.3定位夹具

弹簧右端加工完成后，需掉头加工镗孔、切断面。由于零件已经开槽，装夹时的夹紧力使得零件变形明显，严重影响加工精度；同时，用软三爪装夹不紧，加工时零件会颤动。于是我们自制装夹衬套，如图4所示，用衬套装夹零件外圆加工，衬套设计图中圆周三等分120°的开槽，使之装夹零件受力均匀，开槽后装夹使其内孔和零件外圆能紧密贴合，零件装夹紧固可靠，不会引起颤动。其中一槽开口，有利于装夹拆卸零件，从而有效解决了零件的变形等问题。

2.4机加毛刺的去除

由于材料偏软而加工过程中的冷作硬化的原因，铣槽后孔内毛刺特别大，钳工无法直接去除毛刺。工艺上增加内孔磨床磨削内孔去除较大毛刺，然后再用旋转锉去除棱边毛刺倒角。高温合金的磨削也比较困难，主要表现在砂轮易粘附堵塞、磨削力大、磨削温度高、工件表面易烧伤等方面。通过尝试多种磨削参数，最终我们采用0.02mm的进给量加工，并充分冷却零件、勤修砂轮，保证了设计图纸的尺寸精度、粗糙度要求。

3结论

经过多次调整加工参数，反复试验，最终零件在热处理后进行刚度的测量，从自由长度压缩弹簧至34.3尺寸10次，自由长度应在图纸要求范围内，保证了弹簧刚度K=（100±5）N/mm。虽然设计图要求刚度每偏大1N/mm,外径尺寸修磨0.13mm，但由于机械加工时公差尺寸控制严格，加工三批次均保证了弹簧刚度100%合格，不需要修磨外圆就保证了刚度要求，加工效果良好。达到了有效控制零件变形的目的，保证了设计要求的各项尺寸、形位公差、力学性能等。

作者:吕红梅张喆周立波李欢单位:北京航科发动机控制系统科技有限公司