高温合金弹簧机械加工论文
高温合金弹簧机械加工论文 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 周立波 李欢 单位:北京航科发动机控制系统科技有限公 司