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SS316L不锈钢法兰的加工工艺研究

作者: 来源: 日期:2019/10/16 22:57:02 人气:2

针对不锈钢法兰零件在首件试切过程中出现零件精度不达标效率低无法批量化等问题分析产生以上问题的主要原因,同时提出优化加工工艺与设计专用夹具是解决问题的主要途径。实践证改进后的加工工艺使零件加工效率提高75%产品合格率达100%为同类零件的加工提供一定的借鉴价

不锈钢法兰主要应用于两个设备或者两个轴类零件之间的连接,不锈钢法兰连接是管道施工的重要连接方式,拆卸方便,能够承受较大的压力。图1所示为某型号减速机的不锈钢法兰零件图,月产量30000件,其轮廓尺寸为Φ52mm×18mm,在零件首件试切加工过程中发现有以下3处不易达到图纸要求11放大处圆弧面及圆角的粗糙度Ra0.42Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔的中心线与水平成12°夹角3Φ34mm圆柱面的顶端呈斜面状,并且与4-Φ4.5mm孔有位置关系。针对以上情况,文章通过优化加工工艺,对机床、夹具、加工方法等进行分析与研究,提出了解决以上问题的方法,满足了批量化生产的要求。

不锈钢法兰零件的首件试切分析

1SS316L不锈钢的化学成分(质量百分比)

碳(C

Si

Mn

(P)

(S)

(Cr)

(Ni)

其它鉬(Mo)

0.03

1.00

2.00

0.045

0.030

16.0-18.0

12.0-15.0

2.0-3.0

根据加工要求,不锈钢法兰零件的毛坯选用Φ55mm×20mm的圆棒料,材料为SS316L不锈钢,其化学成分如表1所示,该材料具有耐腐蚀、耐高温的特点,同时具备较高的强度和较好的切削加工性能,在机械装备中应用极为广泛。分析零件图中不锈钢法兰的加工要素主要包括车外圆、镗孔、铣平面、钻孔等,大致分为车削和铣削两部分。首先在数控车床上完成右侧Φ34mmΦ52mm外圆的车削,然后掉头装夹完成Φ33mm外圆、Φ28.3mmΦ15.68mm孔的加工;其次,在立式加工中心上完成R1.7圆弧槽、Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔、右侧斜面、4-Φ4.5mm孔的加工。机床型号分别为采用沈阳机床厂生产的斜床身V2型数控车床和美国HAASVF1型立式加工中心,首件试切加工工序如表2所示。

从表2可以看出,首件试切过程中,无论是数控车床或者加工中心,均采用三爪卡盘作为夹具,首先利用数控车床加工右侧外圆和台阶,接着掉头装夹完成左侧外圆和内孔的加工;其次,在加工中心上利用三爪卡盘夹持右侧外圆处,铣削圆弧沟槽及钻孔,然后反面装夹完成斜面及孔的铣削;最后在数控车床上完成内沟槽的加工。采用以上加工工序完成首件试切经检测后发现,零件左侧内孔R0.5R1.7圆弧面粗糙度值过高,部分圆弧未完整加工出;Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔与轴心线未成12°角;右侧斜面空间位置关系不符合图纸规范,整个零件加工用时太长,效率太低,无法满足客户大批量的生产要求。

问题分析

针对上述加工过程中出现的问题逐一分析:

左侧圆弧段表面不光,粗糙度值过高结合首件试切加工工艺过程及检测结果,图2所示零件左侧的圆弧段主要由2R1.73R0.5组成,分析加工先后顺序,其中3处的R0.5是在数控车床上由镗刀加工完成,然后在加工中心上由球头铣刀铣削1处的R1.7圆弧沟槽,最后在数控车床上利用圆弧内沟槽刀加工5处的R1.7圆弧沟槽。从上述加工过程中可以看出并未涉及到24处的R0.5圆弧,所以造成两处R0.5未完整加工出,同时分别在加工中心和数控车床加工两处R1.7圆弧时,必然会产生接刀痕毛刺,而后续并未处理,是造成圆弧段粗糙度值高的主要原因。

孔与斜面的空间位置关系不正确

右侧Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔和斜面主要在加工中心上完成,由于Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔和轴心线成12°夹角,斜面与4-Φ4.5mm孔有空间对应关系,工作台上安装三爪卡盘无法确定零件每次安装的位置,同时三爪液压卡盘使用久了,随着卡盘的磨损,三爪会出现喇叭口状,三爪也会慢慢偏离机床主轴中心,造成三爪定心误差增大,加工工件的形位公差随之增大,导致工件达不到精度要求。经过研究,设计专用夹具可有效避免以上问题。

2.3零件加工耗时过长

按照上述加工工序,完成一个零件的加工需20分钟左右,加工效率及经济效益过低,究其原因主要是加工工序过于分散、零件装夹次数过多等。

3改进措施

根据上述分析,优化加工工艺与设计专用夹具是解决以上问题的主要方法。

3.1增加精加工工序

如图3所示,原工序是按照在数控车床上完成内孔加工→加工中心铣削圆弧沟槽→数控车床加工圆弧内沟槽的顺序完成,此时在数控车床上增加一把精加工镗刀做精加工,按照图4所示的走刀路径可加工出所有圆弧面,同时保证了圆弧面的粗糙度值,满足图纸要求。

3.2设计专用夹具

1.加工中心用夹具

针对上述加工中存在的孔与斜面的空间位置关系的问题,此处需要根据零件的结构特点,设计一专用夹具以解决该问题。夹具结构示意图如图4所示,要由1工作台、2底板、3T型螺钉、4支撑座、5螺钉、6不锈钢法兰零件、7定位销、8螺钉等结构组成。夹具底板安装于加工中心工作台通过T型槽固定,支撑座顶面与水平呈12度夹角安装于底板,支撑座确保了零件的空间位置关系,零件装夹时,首先用定位销固定位置,然后旋紧其余三个螺钉;零件加工时,取出固定销,先铣12°斜面然后铣削孔。一次装夹可以完成4个零件的加工,同时可以确保Φ24+0.05mmΦ12.2mm孔和轴心线成12°夹角,斜面与4-Φ4.5mm孔的空间位置关系,大大提高了零件的加工效率和精度。

2.数控车床用夹具

原工艺过程最后一道在数控车床上利用槽刀完成圆弧槽加工时,直接采用三爪卡盘软爪进行夹持,由于夹持距离过短,容易发生偏移,无法保证零件加工精度,同时夹持时需要长时间进行校正,效率较低。图5所示,在三爪卡盘软爪的前端焊接三块铜块,然后进行自镗削出圆弧台阶状,装夹时只要把零件的A快速紧贴台阶处,即可准确定位,不会发生偏移,不需要进行找正,效率大大提高,同时铜块可以保护已加工好的零件表面,不会由于卡爪夹持导致零件损坏。

结语

在新的加工工艺方案中,优化了加工工序,设计了专用夹具,完成了零件的加工,实物见图6所示。

与原有试切加工工艺相比,具有以下两点优势:

1)效率高。首件试切加工工艺方案中,零件需在数控车床上利用三爪卡盘反复装夹3次,在加工中心上装夹2次,每次装夹均需找正。而新加工工艺方案中借助了专用夹具,尤其是加工中心工序891011一次装夹可完成4个零件的加工,完成1个零件的加工仅需5min,效率提高了约75%,批量化生产得以实现。

2)精度高。新的加工工艺方案中加工中心和数控车床上均采用专用夹具定位装夹零件,解决了不锈钢法兰零件最大加工难点。采用新加工工艺完成的首批100个零件,经三坐标检测后合格率100%,大大提高了加工精度。