某壳体中大深径比螺纹车削加工工艺研究

某壳体中大深径比螺纹车削加工工艺研究

童建波   蔡帆  魏家庭    杨峰

西安航天发动机有限公司

摘要:针对起动器壳体中大深径比螺纹加工时振颤大、加工后振纹明显导致质量不合格的问题，通过合理规划加工流程、改进装夹方式、优化数控加工工艺参数以及选用合适的切削液和防振材料，最终大深径比螺纹车削加工时振颤现象明显改善，加工后振纹不可见，满足了粗糙度Ra3.2以内的要求，加工质量合格率达100%。本文通过研究试验摸索，采用试验件模拟加工，选用合理的刀具、工装，冷却液、车削参数，提高了起动器壳体内孔螺纹加工质量，具有一定的应用价值。

1引言

火药起动器作为上面级液体火箭发动机的关键组件，为发动机提供初始动力。为了保证液体火箭发动机的顺利起动，对火药起动器的安全和密封性能提出了很高的要求。其中，起动器壳体作为起动器的关键部件，其加工质量将直接影响整个火药起动器的可靠起动性能。目前，起动器壳体内孔螺纹普遍存在加工表面质量不合格的现象，加工时刀具振颤明显，零件返修率高，经常出现超差报废，成为制约火药起动器整体质量的一个重要因素:同时由于起动器壳体零件尺寸大，所用材料贵重，工厂承担了巨大的损失。因此，起动器壳体深孔螺纹的高质量加工成为目前亟待解决的一项问题。

2 目前加工存在的问题

此壳体是由喷管坐和圆筒焊接焊接而成，加工难点为在孔深249.5mm处加工出M33*15-6g的内螺纹，螺纹表面粗糙度达R3.2以上,孔深导致刀具刚性极差，此壳体材料为1Cr18ni2vwm，属于高强度不锈钢，切削性能差；启动器壳体零件为薄壁焊接零件，焊接之后薄壁外圆装夹面变形，与装夹工装贴合存在点接触，在加工过程中切削参数稍有选择不当就容易造成零件定位发生变化，导致零件扎到报废的隐患；所加工螺纹处于孔内249.5mm较深的位置，刀具刚性不足，加工时会产生让刀和振动。

3问题分析

3.1大深径比螺纹加工装夹方式

启动器壳体零件采用焊接式软爪进行零件装夹,增加了零件装夹面积,零件装夹面积达到80%,有效提升了零件装夹刚性，解决了因零件焊接变形导致装夹力不足问题;此外，考虑大长径比薄壁零件振颤问题，装夹时采用弹性胶皮将加工部位包裹，大大减轻因薄壁零件在加工过程中自身带来的振颤现象。

3.2大深径比螺纹加工刀具的选用

刀具的选用既要考虑被切削材料的切削性能，又要满足产品零件结构的实际加工需求,对于起动器壳体长简状结构零件，由于所用刀具长径比大(10:1)，在现有加工条件下，设计辅助刀座来增加刀具刚性及抗振能力，提升刀具的切削能力，如3所示，刀具选择带涂后的硬质合金刀片。

3.3加工参数及冷却分析

对于大深径比薄壁零件螺纹的加工，切削转速和吃刀量是影响加工质量的两个重要因素。此外，切削液的选择也会影响加工效率和产品质量。基于上述原则同时结合以往同类材料加工经验，试验了不同转速、不同切削液下大深径比螺纹的加工效果，加工采用不同的转速、不同的冷却状态所得螺纹加工情况如下表

通过研究第8 组加工参数可以100%合格的完成零件加工，但由于深孔加工要充分的加入润滑剂，在螺纹加工过程中多次停车进行手动加入润滑剂，为了缩短加工时长保证润滑充分，我们采用粗精加工螺纹的方法进行螺纹车削，粗加工时采转速为80r/min加乳化液，精加工时采用30r/min加四氯化碳加猪油润滑加工，为保证更好的加工质量在精加工时分两次进行手动加入润滑剂。

3.4加工程序编制

根据以上试验结果，为了保证螺纹质量，同时兼顾加工效率，采用粗-精加工螺纹的方法进行螺纹车削:粗加工时转速为 80r/min、切削液为乳化液:精加工时转速为 30r/min，切削液为四氯化碳加猪油。考虑到数控车床在变转速加工螺纹时会出现螺纹乱扣现象,经过试验车床转速从80r/min下降至30r/min时螺纹偏移量仅为003mm左右，偏移量不会对螺纹造成质量问题，为保证更好的加工质量，在精加工时需分两次进行手动加入切削液。其具体加工程序如下

O0002   

T0303

M3 S80

G0 X28  Z10

M8(乳化液冷却，润滑）

 Z-212

G92 X31.7 Z-249.5 I-0.015  F1.5

   X31.9

   X32.1

   X32.3

   X32.5

   X32.6

   X32.7

   X32.8

   X32.95

   X33

G0  Z200

M9(停止乳化液冷却润滑）

M0(程序暂停加四氯化碳猪油润滑冷却）

T0303

M3 S30

G0 X28  Z10

Z-212

G92 X32.9  Z-249.5  I-0.015  F1.5

X32.95

X33

X33.04

G0  Z200

M0(程序暂停加四氯化碳猪油润滑冷却）

T0303

M3 S30

G0 X28  Z10

Z-212

G92 X33.07  Z-249.5  I-0.015  F1.5

X33.1

G0  Z200

M30

%

4取得成果

通过对启动器壳体深孔螺纹的加工研究，我们对整个加工螺纹的过程进行了精细的分析，从启动器壳体的装夹、螺纹加工所使用的刀具、车削过程中使用的参数、以及加工时冷却方法、螺纹加工程序编制技巧方面来全方位的进行问题排查解决，最终解决了深孔螺纹加工表面震颤的难点。通过以上改进方案我们经过两批共90件产品的加工，从加工结果来看，所有零件螺纹质量合格，有效的控制了螺纹的返修，通过借鉴深空螺纹加工经验，对零件深孔加工的表面质量的提高有很好推广作用，降低了零件的返修率，特别是针对类似大、贵、稀产品的一次加工合格率上有着重要的意义。为后续深孔螺纹的加工提供了宝贵经验。

5结论

通过验证改进方案效果显著，零件的高质量产出为后续零件的加工提供了更多的质量保证，而且通过改进的效果推广，我们在多种壳体深孔的加工上进行了类似的改进，效果显著。

参考文献：

[1]孟少农 机械加工工艺手册[M]  ， 北京  机械工业出版社，1995．

[2]王茂元 机械制造技术[M] ，   北京  机械工业出版社，2021.8

[3]徐  衡 数控系统手工编程，  北京 化工工业出版社，2014.4.