薄壁工作（共7篇）
薄壁工作 篇1
工作圈是某设备中的核心部件, 采用高强度镍铬合金———12Cr Ni3A材料制造, 具有良好的抗冲击、抗振动和高耐磨损作用。其难点是尺寸较大、厚薄不均匀、零件工序多、不便于设计专门的防变形工装;渗碳工艺往往为最后工序, 一旦变形, 无法通过机械方法校正。所以, 整体工艺线路上的变形控制, 包括机械加工中的残留应力控制、预先热处理工序应力控制, 就显得尤为重要。
1 高强度薄壁工作圈变形控制工艺研究目的
高强度薄壁工作圈变形控制工艺研究主要是控制工作圈加工过程中的切削应力和组织应力导致的变形, 将内应力控制在最小范围。对工作圈进行工艺设计, 对工艺过程每个工序进行分析, 寻找可能出现的变形因素, 从工艺路线、装夹定位、预先热处理等方法入手, 寻找最优的加工工艺, 更好地控制产品的变形。
2 工艺过程分析
12Cr Ni3A钢是专用高强度渗碳钢, 广泛用于制造重要的重负荷和耐磨零件。零件要求采用渗碳淬火工艺以提高其耐磨性。工作圈为环形薄壁件, 最大直径738 mm, 内径688 mm, 总高123 mm。壁厚不均匀, 环形圈体最大壁厚25 mm, 最小壁厚14 mm, 相差11 mm。淬火HRC53~57.5;渗碳深1.5~1.8 mm。其零件简图见图1。
从图1可以看出, 由于零件径向刚性很差, 后续加工中, 在夹紧力和材料内应力的综合作用下, 一旦达到屈服点, 极易产生塑性变形, 变成椭圆状, 导致滚道加工深浅不一;壁凸台深度1.5 mm, 允差±0.1 mm, 内在隐含要求是圈体渗碳前的圆度需≤±0.1 mm时, 才能保证滚道的最终深度允差值。这是该零件的难点, 事关钢球沿滚道轨迹限制功能能否最终实现。
通过预先分析, 归纳工艺思路为[1]:在初加工阶段, 通过预先热处理调质来转变组织, 防止珠光体转变为回火索式体组织后, 比容的变化带来变形;中间穿插正火来进一步去除内应力;优化切削要素;限制装夹方法和力度;粗精加工分开, 将渗碳前的可能产生的切削变形控制在最小程度。初步确定的工艺路线见图2。
3 高强度薄壁工作圈变形控制工艺控制措施
3.1 车削加工过程中的变形控制
切削变形是由于切削力和热应力综合作用引起的不均匀塑性变形。工作圈在辊轧之后, 零件尚留有较大的切削余量, 为最大限度地释放应力, 零件在锻造后, 及时进行了高温回火, 防止应力传递到后续工序[2]。
工作圈车削在立式车床上进行, 为预防车削夹持力导致的变形, 将工艺优化为:轻夹外圆, 精车两端面保证总高;找正内径, 端面搭压板切削外圆成型;零件不动, 改换压板压紧部位, 切削内径成型。这样的装夹方式, 切削力和轴向压紧力均面向零件厚度的方向, 一方面可获得最大的压紧力, 另一方面可以降低车床四爪夹紧力传递到零件上, 产生叠加变形效应。后续精密车削和偏心车削的装夹方法, 也采用该方法完成。
由于零件刚性较差, 为防止车削过程中产生振动, 出现让刀和鱼鳞纹 (振颤) 现象, 可采用以下控制方法:一是在端面的圆周方向均布8个压紧点, 压紧圈体, 确保压紧可靠;二是切削过程采取高速切削+小进刀量+大进给量的方式;三是刀具采用C630 YG类尖头车刀, 刃磨成大后角, 刀具采用大后角, 以防止高速切削中刀具后角和零件接触产生积削热;四是充分利用立式车床刀架的刚度, 缩短刀具外伸长度, 减小刀具切削振动, 防止弹性伸胀的变化增加切削应力。
零件在偏心车削阶段, 由于是间断性切削, 圈体各角度截面上刚性不一, 零件车削变形会逐步释放, 无法避免。这时必须进一步释放切削应力, 首先, 随切削走刀次数的增加, 趋近工件尺寸的过程中, 压紧工件的端面压板可略微放松, 使其缓慢随车削过程逐步释放变形;其次, 调整为小进刀量多次精车;再次, 必要时可通过“空刀”重复车削, 缓慢去除变形量, 确保对尺寸的精确控制。
3.2 滚道加工变形控制
为控制滚道加工中可能产生的温升, 工艺上采用粗精加工分开的方式将工序进一步细分[3]。
1) 滚道磨削加工前增加一道粗镗工序。利用R弧成型镗刀先进行粗镗, 该粗镗刀具与工件接触面小, 属于间断切削, 散热好, 速度慢, 可以通过冷却液降温, 零件温升完全可以人为控制。
2) 用成型砂轮磨削, 在粗镗形成的包络曲面上精修, 完成滚道弧面的精密磨削。
3) 磨削过程中, 采取间歇磨削方式。通过人为停机力求常温磨削, 控制零件的升温效应, 事实证明效果较好。
3.3 材料组织转变控制
综合前述, 精细的车削和镗削磨削工艺, 目的是让零件在“冷切削”的状态下完成加工, 防止热能转变为内应力。但是面对后续渗碳淬火工艺, 仍有很大的不确定因素。一方面, 材料组织在转变为回火索氏体的过程中, 晶格比容增大, 必然会产生组织变形, 严重时还将导致零件报废;另一方面, 高温渗碳和淬火过程中, 高温停留长达8 h, 油淬过程激变大, 变形的数值不易预计。
通过预先增加调质工序, 完成组织转变是可行的。即通过预先的调质处理, 将零件的硬度在渗碳前调整为HRC25-30, 以获得良好的切削性能, 同时, 圈体的硬度增强, 刚性必然加强, 弹性必然下降, 能够适度降低切削中的弹性变形。
在精车和半精车工序间穿插正火工序, 是为了更好地完善内部晶格组织的细密均匀度, 使零件最大限度地提前释放和消除锻造过程中产生的强大应力。事实证明, 通过强化刚性预先转变组织后, 零件的热变形很小。经测量, 工作圈在完成机械加工准备渗碳前, 滚道深度允差值控制在0.02 mm, 整体圆度值不超过0.1 mm, 满足了工艺要求。
4 结束语
通过优化工艺路线和穿插预先热处理工艺, 改善装夹方案, 力求采用常温切削方法, 零件的变形得到了有效控制, 产品使用多年来, 没有出现继续蠕变和损坏现象。该工艺方法对类似薄壁件圈体的变形控制有很好地借鉴作用。
摘要：薄壁机加件变形控制是机械加工中比较棘手的问题, 对于包含渗碳淬火工艺的合金薄壁件更是如此。针对12CrNi3A工作圈渗碳前的工艺控制, 采取了细化工艺路线、优化装夹方法、增加预先热处理工艺等措施, 通过实践验证, 零件变形得到了很好的控制。
关键词：12CrNi3A,薄壁,变形,工艺研究
参考文献
[1]于启勋, 桂育鹏.金属切削理论与实践[M].北京:北京出版社, 1985.
[2]陈日曜.金属切削原理[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[3]黄如林.切削加工简明实用手册[M].北京:化学工业出版社, 2004.
薄壁零件变形研究 篇2
关键词：1支点分油套,零件变形,电火花成型机
1 引言
薄壁件加工变形一直以来都是航空制造业加工难题, 如何有效控制零件变形成为提升航空产品质量的技术攻关难点, 而不同材料 (硬度差别大) 结合面处钻孔更是对我们技术人员技术能力的考验。
2 项目概述
2.1 技术指标
(2) 解决组件深孔加工孔偏问题, 满足设计要求孔径大小Φ1.98+0.01、孔深10.2+0.2。
2.2 前期数据收集
(1) 车加工内外型面时, 零件变形大
(2) 组件压装衬套后, 在衬套 (材料为18Cr2Ni4WA) 和基体零件 (材料为2A11) 结合面出钻孔, 曾一直尝试使用机加方式去实现, 利用普通钻头或合金钻头钻孔, 均出现孔偏问题, 且向机体零件 (材料2A16) 偏离, 钻孔深度最深只能加工到6.5mm (设计要求钻到10.2+0.2深) , 钻头肯定折断。
2.3 原因分析
(1) 1支点分油套, 零件为铝合金材料, 最大直径Φ97、最小直径Φ16, 零件内外型面复杂, 直径尺寸公差严, 为薄壁件 (最小壁厚1.95) , 加工时容易出现零件变形。为了减小机加产生的零件变形, 在精车内外型面时, 优化数控程序、改进走刀路线都可以有效控制零件机加产生的变形;在装夹零件时, 由于零件壁薄, 容易造成零件挤压变形, 适当的改进装夹方式可以控制零件的装夹变形。
(2) 1支点分油套组件, 装配衬套后, 在衬套 (材料不锈钢) 和基体 (材料铝合金) 结合面处钻孔, 由于两种材料硬度差别大, 采用传统的机加方式如打点-钻孔-扩孔-铰孔, 必然出现加工过程中刀具向基体铝合金方向偏离的情况, 加工出来的孔偏, 同时容易造成钻头折断。所以可以尝试使用特种工艺的加工方法如电火花打孔, 在电火花加工底孔 (距离最终孔径预留单边0.03mm~0.05mm) , 后续再进行铰孔, 最终保证深孔加工孔径和孔深满足要求。
3 技术方案
3.1 总体技术方案及其实施过程与效果
3.1.1 总体技术方案
(1) 优化数控程序, 减少零件机加变形;
(2) 自制小工装, 减少零件装夹变形;
(3) 先电火花打底孔然后摇臂钻铰孔, 解决深孔加工孔偏问题。
3.1.2 技术方案实施
(2) 加工1支点分油套№30车端面及槽工序时, 为减少零件装夹变形, 根据内孔实际尺寸Φ88.01~Φ88.025配做小圆盖 (直径尺寸为Φ87.98~Φ87.99) , 内孔与小圆盖之间为间隙配合 (间隙0.01~0.02) , 在装夹零件时利用小圆盖堵住内孔起到减少车加工时产生装夹变形。
(3) 先电火花打底孔然后摇臂钻铰孔, 解决深孔加工孔偏问题。加工1支点分油套组件№20钻孔 (图纸孔径大小Φ1.98+0.01、孔深10.2+0.2) 工序时, 使用电火花成型机加工出底孔 (最终尺寸单边预留0.03mm~0.05mm) , 保证孔深, 然后在摇臂钻床利用铰刀进行铰孔, 保证最终孔径和孔深。
3.2 攻关最终达到的技术指标
(2) 通过“电火花打孔-摇臂钻铰孔”的加工方案, 解决了组件深孔加工孔偏问题, 最终零件满足设计“孔径大小Φ1.98+0.01、孔深10.2+0.2”的要求。
结语
(1) 数控程序优化:对于薄壁环形件加工, 无论是先车型面还是先车外型面, 零件最终变形都是必然存在的, 为了更好的控制零件变形, 在工艺上尽量保证安排工序时里外型面一起车, 在编程上注意, 通过里外先去余量, 再进行精车, 同时精车时需要里外预留余量, 里外型面反复车削, 保证零件变形得到最有效的控制。
(2) 装夹方式改进:对于薄壁件的装夹方式选择尤为注意, 无论使用软三爪还是直接使用涨紧夹具, 对零件都会造成不可恢复的变形, 采取自制衬垫配合软三爪进行装夹零件, 可以有效避免零件被夹伤或压伤, 同时控制零件变形。
(3) 机加观念转换:在衬套 (材料不锈钢) 和基体 (材料铝合金) 结合面处钻孔, 由于两种材料硬度差别大, 采用传统的机加方式如打点-钻孔-扩孔-铰孔, 必然出现加工过程中刀具向基体铝合金方向偏离的情况, 加工出来的孔偏, 同时容易造成钻头折断。通过尝试使用其他机加方法如特种工艺加工, 最终确定使用电火花成型机加工出底孔能够保证钻孔深度且孔不偏, 解决了深孔加工孔偏问题。
参考文献
薄壁件加工工艺 篇3
关键词：加工中心,薄壁件,加工工艺,加工精度
0 引言
现阶段, 在加工过程中遇到的薄壁件产品越来越多, 而且具有薄壁特征的零件产品也越来越多, 由于薄壁件特征在加工过程中的问题较多, 容易产生变形, 因此加工精度难以保证。
本文主要针对薄壁件加工过程中, 如何保证薄壁零件的精度要求进行探讨。
1 加工薄壁件时影响精度的主要因素
薄壁件产品示意图如图1。由于薄壁件产品尺寸的特殊性, 因此在加工过程中容易产生变形, 从而影响最后的尺寸精度。在实际加工过程中影响精度的主要因素有受力变形、受热变形、振动变形、残余应力变形等。
2 解决薄壁件加工过程中变形的措施
针对在加工薄壁件零件时产生的问题, 主要有下列几种解决措施:
2.1 装夹方案的优化
1) 利用零件的整体刚性加工薄壁零件。在加工时, 应尽量利用零件余量部分作为支撑, 以增加切削时产品的整体刚性。2) 采用辅助支撑。在装夹过程中产生的装夹力也会令产品产生变形, 针对这种情况, 可以在零件腔内采用填充法等方法, 加强产品的支撑性, 从而减小变形。
2.2 加工切削速度的优化
加工薄壁件时, 可以采用高速切削加工技术来降低加工时产生的切削力, 以减少变形。
2.3 轴向切深的优化
在加工过程中, 随着吃刀量增大, 切削力增大, 工件的振动也会增大, 因此在加工薄壁件零件时, 为了减少工件的振动, 应选择较小的吃刀量, 以减少振动, 从而保证加工精度。
2.4 增加辅助特征
在编制程序过程中, 亦可使用锥度铣削的方向进行加工, 使得加工过程呈现一个上窄下宽的形态, 以增加薄壁特征的整体刚性, 减小变形量。
2.5 对称分层铣削
毛坯初始残余应力对称释放, 可以有效减小零件的加工变形。
3 薄壁件零件的加工分析
图1为典型的薄壁件零件, 该零件薄壁特征长/宽/高分别为20 mm×1 mm×10 mm, 外部薄壁特征为40 mm×40mm×10 mm×1 mm的矩形部分。由于该零件整体尺寸偏小。因此在加工过程中要注意刀具干涉以及薄壁特征变形的问题。
3.1 模型建立
使用Solid Works软件建立模型, 获得模型三维视图如图2。
3.2 程序编制
将绘制好的三维模型保存成iges类型文件, 导入Mastercam软件进行后续操作。工艺路线划分为:粗加工→底面精加工→半精加工→精加工。
1) 开粗。开粗阶段首先加工零件的外轮廓尺寸, 为了保证半精加工时薄壁的加工强度, 刀路与实际加工如图3。
2) 底面精加工。在加工薄壁零件时, 应该尽量避免薄壁特征侧面与底面同时加工, 避免刀具受力不均匀的情况, 以防止加工过程中产生的受力变形。具体刀路如图4。
3) 半精加工。在薄壁特征的半精加工中, 非常容易产生受力变形, 因此在加工过程中可以结合加工切削速度的优化、轴向切深的优化、增加辅助特征、对称分层铣削等方法同时应用, 以减小加工变形量。
本零件在加工中可以最大限度地提高刀具的转速, 由于本单位的机床限制, 因此转速最高可以提至2 800 r/min, 所以在加工过程中采用转速2 600~2 800 r/min的转速区间最大限度利用机床本身资源。
但是在加工过程中只靠提高转速是不够的, 还要采用增加辅助特征的方法, 本文中使用的方法是采用锥度铣削, 在加工薄壁特征时, 摒弃普通加工的一刀直落的加工方式, 采用一次半精加工, 半精加工采用锥度铣削, 设定锥度0°~2°之间, 根据薄壁的深度来确定锥度值, 本零件深度20 mm, 因此在保证切削过程中, 切削余量不会变化太大, 而且又在保证整体薄壁刚性的情况下, 设置合适的角度就显得比较重要了, 深度越深时, 角度设置不宜过大, 根据图标可以看出, 角度设置在0.6°时, 上方余量为0.2 mm, 根部余量为0.41 mm, 这样就能够保证在半径加工过程切削应力不会骤变。示意图如图5。
整个薄壁件在加工过程中变形最大的地方是在薄壁特征的顶端, 因此这样加工的优势在于整体薄壁件在加工时候留下了锥形余量, 使得整体刚性比较强, 而且在薄壁的上方给予小切深结合整体刚性, 而在薄壁特征根部由于刚性较上方强, 因此可以给予相对较大的切深。
具体刀路与实际加工图如图6~图7。
4) 精加工。在半精加工结束之后, 整体薄壁特征呈现一个梯形形状, 而且余量分布差别也较均匀, 因此可以直接进行精加工, 精加工时可以将锥度取消即可, 在精加工过程中要求主轴转速尽可能加大, 以尽量减少切削作用力, 保证产品的精度。这里值得注意的是, 在精加工过程中应该采用对称分层铣削的方式来尽量满足加工应力均匀释放的要求。刀路图如图8。
精加工过程中, 不能采用以往加工厚零件轮廓时采用大吃刀量来保证轮廓质量的方法。而应该采用较小吃刀量的方法来尽量减小切削力, 减小薄壁特征的变形。
图9中B部分为半精加工中的锥形薄壁特征, A部分为采用大吃刀量时产生薄壁件变形, C部分为结合加工切削速度的优化, 轴向切深的优化, 增加辅助特征, 对称分层铣削等方法同时应用之后得出的结果。
4 结论
通过薄壁件的加工, 我们可以看出, 即使未采用高速加工机床, 我们也可以通过加工切削速度的优化, 轴向切深的优化, 增加辅助特征, 对称分层铣削等方法, 最大程度地减小加工变形量, 从而保证薄壁性零件的加工精度。
参考文献
[1]张木青, 于兆勤.机械制造工程训练[M].广州:华南理工大学出版社, 2007.
[2]郑修本.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 1995.
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[4]陈树峰, 马伏波.薄壁工件在夹紧力作用下变形量的计算[J].煤矿机械, 2005 (2) :70-72.
薄壁翼墙施工及缺陷修补 篇4
1.1 设计方面
以无锡市城市防洪仙蠡桥枢纽及北兴塘水利枢纽工程的悬臂式翼墙为例,翼墙顶宽为30cm,钢筋保护层5cm,再加上四层纵横钢筋6cm,则顶层翼墙前后钢筋间距仅为14cm(30-5×2-6=14cm),在浇筑过程中既无法悬挂漏斗也无法分层浇筑振捣,给实际施工中造成很大困难。
1.2 施工方面
1.2.1 混凝土。
由于科技进步,现代化施工逐渐被普及推广,大多数施工单位均采用泵送混凝土施工,这类混凝土输送方法速度快、混凝土和易性好(对模板的侧压力也大),原先翻斗车浇筑的模板加固方法面临严峻考验,再加上仓内无操作空间,分层浇筑,分层振捣难以实施,浇出来的翼墙外观质量及耐久性有欠缺就再所难免了。
1.2.2 模板。
为确保清水混凝土外观质量,水利工程混凝土多采用定型大钢模周转施工,在周转过程中,模板清理保养不到位,造成混凝土表面锈斑较多,严重影响混凝土的光洁度。
考虑到工程经济效益,很多施工单位都想方设法提高定型钢模板的周转次数,如果拆模时间控制不好,混凝土会因失水过快而产生表面龟裂纹。如果使用一次性对销螺丝,在混凝土未达到一定强度的情况下,过早拆模,销螺丝因拉应力消失而收缩,在销螺丝与混凝土间形成渗水通道,而销螺丝附近混凝土也因过早承受应力而破坏,在销螺丝与混凝土间形成渗透通道,从而造成迎水面墙身大面积渗水。
2 预防措施
首先在思想上引起高度重视,在浇筑前,由项目部技术负责人对全体参加浇筑人员进行技术交底,分层落实各个作业人员的岗位责任制,由试验负责人在后台负责控制混凝土的和易性,以混凝土入仓时骨料不分离,粗骨料表面水泥砂浆饱满为宜,不合格的混凝土严禁入仓;前台仓面由技术人员控制进料速度,每层30-40cm,确保施工人员人充足时间振捣;将仓面划分为若干块,每个振捣工人负责一块,确保拆模后缺陷追究到个人。
在迎土面模板上距地面每2.5m,水平方向每3m开一个进料口,既保证混凝土的下料高度,又方便振捣工人分层依次振捣。在进料口位置解开钢筋(封进料口时将钢筋复位),将漏斗放入钢筋笼内,在漏斗出料末端挡一块铁皮,防止高速入仓的混凝土骨料分离,石子集中在一起形面蜂窝,当混凝土上升至进料口位置时,集中木工将进料口封堵,其延续时间不超过45min为宜(加缓凝剂或冬季可适当延长,夏季应缩短时间),防止出现冷缝。当混凝土有初凝现象时,木工应收紧混凝土浇筑面层上下两行对销螺丝,防止上层混凝土浇筑时出现挂浆现象。
振捣的水石工应沿一个方向依次振捣,防止漏振,局部有石子集中的地方,应加强振捣,严禁用砂浆直接覆盖,振动器应插入下层混凝土5-10cm,严禁插入过深,造成跑模。
浇筑过程中的积水应及时清除,防止积水随混凝土上升在仓内往返流动,混凝土被冲洗干净,无法振捣密实,形成大面积麻面及明显水波纹现象。
部分高度较小的小型薄壁翼墙也可以加工扁形漏斗管一直挂到翼墙底部,但水石工浇筑时要采用“钓鱼”的振动方法,对悬壁式翼墙迎土面倾斜一侧难以振捣到位,且仓面操作人员对仓内情况无法正确及时了解,混凝土浇筑时有较大困难。
另外,模板拼缝是否严密,浇筑时是否漏浆,对混凝土外观质量的影响也是一个不可忽视的因素,立模时用5mm厚海绵条填缝即可解决此类问题。
3 缺陷修补
3.1 蜂窝麻面
对于严重的蜂窝,应凿除蜂窝部位石子,直至密实混凝土为止,用粗砂拌制的砂浆(深度大时用混凝土)抹至混凝土面5mm左右,再用粉砂拌白水泥制成的细浆砂抹平,修补前,先在试验室多拌制几组修补用的砂浆配合比,以色差最小者为宜。
3.2 裂缝
混凝土的裂缝将降低建筑物的整体性和耐久性,对结构中钢筋的侵蚀破坏严重。因此,裂缝的修补很重要。
裂缝修补分为防渗堵漏修补和结构补强修补两大类。水利工程施工实践中,主要是前一类较为多见。现将我在工作几年内总结出来的几种比较成功的处理方法分别叙述如下。
3.2.1 表面修补。即在混凝土表面采用环氧原浆封闭,此法适用于裂缝宽度小于0.2mm和不通缝的情况。
施工过程为:(1)用清水清洗裂缝处表面;(2)用水泥净浆将两侧约10cm范围内的气孔嵌实补平;(3)用环氧树脂原浆在表面涂刷两度封闭;(4)特殊情况下,还须外加两层玻璃丝布封闭。
3.2.2 表层修补。采用嵌填环氧砂浆或弹性止水油膏封堵的方法,适用于裂缝宽度大于0.2mm的通缝情况。
施工过程为:(1)沿缝凿成宽8-10mm、深度大于10mm的凹槽;(2)用钢丝刷将灰尘、浮渣及松散物彻底清除;(3)均匀涂刷环氧原浆一度,固化12h以上;(4)用嵌刀将环氧砂浆分两层封堵,压平压实,固化24h;(5)用环氧原浆封闭,封闭宽度每边应大于环氧砂浆缝宽2-3mm。
3.2.3 灌浆修补。压力灌浆适用于通缝较为严重的情况和表层修补不理想的情况。
3.2.4 墙后灌水泥浆。
在实际施工中,通缝的情况有时在墙后回填土完成,临水墙面出现窨潮时才发现,此时墙后裂缝修补作业难度很大。我们采取的办法是临水面灌环氧原浆修补,临土面压力灌纯水泥浆。
墙后灌纯水泥浆是在墙与土的接触面间的缝隙灌满水泥浆,水泥浆凝结后即产生防渗作用。施工时,在裂缝两侧钻灌浆孔,采用压力灌浆机连续灌浆作业,压力由小到大,直至远处水泥浆外渗。
薄壁圆筒干摩擦减振设计 篇5
以前国内外对于薄壁结构的减振设计大量来与实验研究和工程经验,可供参考的文献比较少。J.S.Alford、Niemotka M A和Ziegert J C[1]对航空发动机中的篦齿封严装置的减振装置设计做了大量实验性研究总结工作,但是对含有阻尼环的篦齿封严装置的响应没有太多研究。国内对于过盈安装的阻尼环/套类似结构的减振机理研究也比较少,北航的曾亮,李琳[2~4]等分别从理论和实验研究了带有阻尼环封严蓖齿封严装置的振动响应特性。但尚未有人直接使用有限元软件对类似结构的振动特性进行计算。
1 干摩擦阻尼结构减振机理
开口式减振环或减振套筒安装在薄壁件内,通过过盈连接固定在薄壁构件的内壁,受扰动时,减振环与薄壁件间发生相对微小滑动从而消耗能量,因此产生的滑移阻尼将振动幅值降低到较低的水平,这样就可以避免振动过大产生高的振动应力而可能导致的疲劳破坏[5]。虽然在准则中对类似结构有相应要求,仅是根据实验所取得的经验进行设计,对于其中的减振机理及设计理论,并不十分清楚。干摩擦减振方法对于环境和温度敏感性不高,适用范围广,减振效果相对别的方法较为显著,因此被广泛运用与航空航天等领域中。薄壁圆筒组合结构即薄壁圆筒和过盈安装在圆筒内壁的开口式阻尼环的装配体。
综上所述,通过有限元方法对薄壁结构的减振研究具有重大的工程价值,可为解决薄壁圆筒减振结构的设计提供参考。
2 摩擦接触模型
2.1 薄壁圆筒与开口阻尼环之间的接触压力
薄壁圆筒结构和开口阻尼环之间的装配通常采用过盈配合装配,由于过盈安装会导致阻尼环发生弹性变形,两部件接触面上必然产生接触压力P,使得两者紧密配合。
以下推导薄壁圆筒与开口式阻尼环之间的接触压力,在分析过程中,假定阻尼环与筒之间均无相对转动。
当阻尼环安装入薄壁圆筒内壁以后,两者之间的接触压力沿着圆周的分布不是一个均值,而是呈图1所示的分布。由于阻尼环的开口量相对于整体尺寸一般较小,因此忽略接触压力由于开口而产生的不均匀现象,假设接触压力在圆周上是均匀分布的。对于单位长度上接触压力的大小采用q来表示,q的大小与阻尼环的开口量,几何尺寸以及材料的特性有关。
开口量定义如下:
其中和分别是以为平均半径的阻尼环在装入薄壁圆筒前和后的平均半径。
在弹性力学变形范围内,接触压力q与Δ开口量呈正比关系,q与间的比例关系由单位载荷法可得。由于阻尼环的变形相对开口是对称的,因此可取模型的一半进行研究,并认为其一端固定,一端自由(如图2(a)所示)。由单位载荷法得到阻尼环自由端变形量为[3,6]:
其中M,Q,N和M1,Q1,N1分别是接触压力q和附加单位力在开口阻尼环的横截面内引起的弯矩,横向剪力以及法向的拉力;G,E分别是材料的剪切模量和弹性模量,A为开口阻尼环的平均横截面积A=bh,阻尼环的轴向尺寸为b,径向尺寸为h;J为开口阻尼环平均横截面积的惯性矩,Kr是横截面的形状系数。一般横截面为矩形时Kr=1.2。
运用截面法受力平衡原理,由图2(b)得:
在单位力作用下的受力平衡条件:
将以上公式代入式(1),有:
通过对上式的积分变换,得到:
由以上两式可知,当给定开口量和相关几何参数,即可求得阻尼环与薄壁圆筒间单位弧长上的接触压力q,进而可求得单元接触压力P。
2.2 薄壁圆筒与开口阻尼环之间的摩擦模型
在ANSYS中采用的是一种基于经典库伦摩擦模型以及微滑动模型变形而来的摩擦模型。该模型中定义了一个等效剪应力τ,在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面将开始滑动:
其中,μ是摩擦因数作为材料特性定义,COHE是粘聚力。
一旦剪应力超过此值后,两个表面之间将会发生相互滑动。表面直接运动状态的转换也会带来摩擦系数的不同,摩擦系数依赖于接触面之间的相对滑动速度,通常静摩擦系数大于动摩擦系数。
ANSYS提供了如下所示的指数衰减摩擦模型:
式子中:μ为摩擦系数;MU为动摩擦系数;FACT为静摩擦系数与动摩擦系数之比,取1.5;DC为衰减系数,取0.5,单位为s/m。
各向同性摩擦模型是基于一种材料之间进行摩擦,此时只有一个摩擦系数,可以通过MP,MU直接指定摩擦系数。
图4为摩擦系数对应的指数衰减曲线,其中静摩擦系数为:
本文所讨论模型薄壁圆筒及开口阻尼环皆采用一种材料,因此使用各向同性摩擦模型。
由图3可知,ANSYS中所提供的摩擦模型对库伦摩 擦模型进 行了扩展 , 提出了实 常数TAUMAX。TAUMAX表示最大接触摩擦应力,单位为Pa,无论法向接触压力多大,只要摩擦应力达到了最大接触摩擦应力,接触面之间就会发生相对滑动。当接触压力变得非常大时,就要借助TAUMAX。依据ANSYS帮助所述,最佳的TAUMAX值与材料的屈服极限为比例关系,符合下列公式:
其中σy为材料的屈服极限应力。
由于本文是根据阻尼环的微小位移进行减振,因此接触面之间将会产生滑动,因此选择不分离模型。
由于具有滑动的摩擦接触属于高度非线性行为,本文选择非对称求解器对收敛性进行改善。
3 ANSYS仿真模型计算
3.1 研究对象
以薄壁圆筒为研究对象。仿真计算中薄壁圆筒与开口阻尼环采用材料参数如表1所示。
薄壁圆筒的几何结构参数如表2所示。
边界条件为薄壁圆筒一端全固,阻尼环内端限制轴向运动。
3.2 仿真模型计算结果
本文选用Solid45单元进行建模,使用柔-柔接触,通过瞬态分析中全积分法下的比例阻尼的方式加载结构阻尼比。
在组合结构某一节点上施加幅值为1N的单点径向瞬态激励,激励时间为1.25×10-4,激励位置为筒外表面,轴向位置28mm处,方向为沿径向指向圆心。拾振点位置为筒外表面,轴向位置70mm处。
仿真计算流程如图6所示。
计算时长为0.05s。边界条件为筒一端全固,开口阻尼环轴向固定。分析中取结构粘性阻尼比为0.0025,动摩擦系数取0.48。仿真时根据2.1中理论计算求得的接触压力p,预先施加于阻尼环上,用于模拟过盈安装时产生的预应力。
开口阻尼环模型截面参数如表3所示。
由图7、图9和图11可知加了阻尼环的组合结构在瞬态扰动的情况下,振幅衰减所需时间较短,由图8、图10和图12可知光筒瞬间扰动下的最大振动幅值为4.436×10-10m,模型1瞬间扰动下的最大振动幅值为3.904×10-10m,模型2瞬间扰动下的最大振动幅值为1.67×10-10m,也就是说随着阻尼环轴向尺寸b越来越大,对于振动峰值抑制效果越好。
4 结论
本文运用接触和阻尼的相关知识研究了装有开口阻尼环的薄壁圆筒结构减振结构,采用柔-柔接触的方式求解带有摩擦接触的组合系统。研究了附加开口阻尼环的薄壁圆筒组合结构的时域以及频域响应。通过分析,得到了附加开口阻尼环对于薄壁圆筒类结构的减振规律,阻尼环轴向尺寸b越大,对于振动峰值抑制效果越好。
参考文献
[1]林茂山.鼓筒-约束层阻尼系统建模与减振机理研究[D].沈阳:东北大学,2011.
[2]曾亮,郭雪莲,李琳.带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验研究[J].航空动力学报,2007,22(7):1035-1043.
[3]曾亮,李琳.用于篦齿封严装置的减振阻尼环设计理论[J].北京航空航天大学学报,2006,33(5):518-522.
[4]曾亮,李琳.具有接触接合面的篦齿封严组件振动特性分析[J].航空动力学报,2006,21(5):854-861.
[5]编委会.航空发动机设计手册[M].第18分册,北京:航空工业出版社,2001.
薄壁保护罩加工工艺 篇6
关键词：薄壁,工艺
1 零件结构
我单位生产的某型保护罩是一种典型的薄壁曲面罩, 如图1 所示, 零件壁厚只有1.5 mm。由于零件壁很薄, 导致刚性差, 且零件内外表面均为圆弧面及锥面, 采用普通车床加工有一定难度, 生产效率也不高, 因此采用数控车床加工。
2加工难点分析
1) 由图1可以看出, 罩内孔深度为98.5 mm, 加工时刀杆伸出较长, 容易引起刀振, 零件上极易留下振纹, 导致产品报废。
2) 罩壁厚为1.5 mm, 薄壁零件刚性差, 加工时极易发生变形, 也是加工的难点之一。
3) 加工右侧薄壁处外形面时, 由于零件内部已掏空, 很容易产生共振现象, 影响加工精度和表面质量。
4) 罩左侧Ф20 圆柱面与R60 曲面连接部分, 由于直径相差较大, 普通外圆车刀不易达到, 这里采用切断刀加工, 由于刀片伸出较长, 也容易引起刀振。因此加工时, 切深不宜太大。
综上所述, 问题的关键在于零件壁薄, 给零件的装夹和加工都带来困难。
3 工艺路线分析
1) 毛坯选择。由于零件加工以车削为主, 显然毛坯类型选择圆铝型材较为合理, 故选择Ф160 牌号为2A12T4的硬铝棒料作为毛坯。
2) 工艺路线分析。由于零件壁薄, 加工时去除余量很大, 很难一次加工成形, 故采用先粗加工去除大余量, 再半精加工、精加工至尺寸。中间合理安排热处理工序, 以便降低硬铝材料的硬度, 并消除加工应力, 有利于稳定尺寸。即工艺路线安排为:粗车→热处理→半精车→热处理→精车。
3) 工艺过程。该保护罩的加工工艺过程如表1所示, 相关工序简图如图2~图6所示。
4 结语
采取上述工艺路线及具体工艺过程, 解决了薄壁保护罩易变形难加工的问题, 用此方法加工出的工件, 各项指标均满足图样要求。
参考文献
[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 1995.
大型薄壁类零件工艺分析 篇7
在日常工作中, 薄壁件在能够保证其功能的同时用料少、质量较轻, 所以一般情况下, 对于薄壁件的生产需求还是比较大的。但薄壁件的轴向尺寸小, 装夹基准面小, 很容易发生变形, 难以保证加工质量, 因而其加工成了行业内的棘手问题。本次研究的水电蜗壳厚12mm, 最小直径479.4mm, 最大直径1860mm, 厚度与直径比为1∶40~1∶155, 很显然, 该零件大部分的厚度与直径比大于1∶50, 所以本次课题要研究的水电蜗壳是一个非常典型的薄壁件零件。
1 工艺基准及工艺块的选择
1.1 零件的结构分析
该零件主要由薄壁蜗壳、座环、固定导叶、法兰盘、支脚等组合而成, 其中薄壁蜗壳是由四个单体件通过螺栓联接而成, 其中每个单体件都是由类似于图1所示的几个单体蜗壳焊接而成, 固定导叶与上下座环通过焊接联接在一起, 座环与蜗壳同样是通过焊接并以法兰盘联接在一起, 支脚分别同蜗壳与座环焊接成一个整体。
整体座环是由4个1/4座环联接而成, 为了保证蜗壳能够起到导流作用, 这4个座环必须处在同一水平面上, 按照图纸要求2个水平面的平行度误差必须≤0.05mm。由于这4个面是通过法兰盘联接而成, 因此这些法兰面的加工精度与安装精度相对而言要比较高, 孔的位置精度要求更加高, 这样才能保证2个水平面的平行度满足要求。
1.2 装夹方式的选择及工艺块的制作
此次加工的水电蜗壳由于体积比较大, 且是单件小批量生产, 加工较为复杂, 所以采用画线找正装夹。此方法是先在水电蜗壳上按照零件图画出蜗壳中心线、各法兰面加工线以及408h7上、下平面加工线;再将工件装上机床, 按照画好的线找正工件在机床上的装夹位置, 进而完成对此蜗壳零件的装夹。
由于水电蜗壳是一个非常典型的薄壁类零件, 在装夹过程中如果直接受力则很容易导致其变形, 从而影响零件的加工精度, 可以考虑添加工艺块来辅助定位装夹。因为蜗壳上有法兰, 其相对于薄壁的厚度要大一些, 因此, 选择在法兰上添加80 mm×80mm×60mm的长方体工艺块;另外还在座环面上添加工艺块, 考虑到座环上、下两面都要加工并且长方体工艺块容易导致加工时零件的左右滑动, 因此选择“L”型工艺块来防止工件的上下与跳动滑动, 工艺块的位置应该避开孔及台阶面, 基本上处于中间位置, 首先远离支脚, 其次受力较为均匀, 便于三点找正。工艺块的焊接及形状如图2所示。
1.3 工艺基准的选择
在蜗壳的加工过程中, 首先确定某点或某线、面的位置, 并以这些点、线、面作为参照进行加工, 这些点、线、面就是加工这个零件的基准。根据产品自身的特性, 我们在加工时有选择性地对工艺基准进行挑选, 以两大原则 (基准重合原则、基准统一原则) 为守则, 对蜗壳进行基准优化选择。
a) 基准重合原则:一般情况下, 尽可能选用设计基准作为定位基准。此次加工的水电蜗壳由于是一个非常典型的薄壁类零件, 在实际加工与设计的时候, 两者的基准不相重合, 主要是由于薄壁类零件本身在加工的时候需要考虑到受力、受热等产生变形, 所以需要添加辅助工艺块来加工。则设计基准是蜗壳中心, 而定位基准是添加的辅助工艺块, 那么定位基准与设计基准是不重合的, 自然不能按照设计基准来定位, 否则容易造成误差。
b) 基准统一原则:尽可能选择同一个定位基准来加工不同的表面。这样有利于保证各个加工表面之间的位置精度。比如, 在蜗壳的加工中, 使用端面铣刀铣法兰面以及在法兰面上加工孔的时候, 采用的是同一个基准, 没有移动或者翻动零件, 以此来保证基准统一。
2 工艺路线分析及执行
由于本次加工的水电蜗壳是由4个单体件组合起来的, 那么就必须保证4个单体件在加工完成之后能够组装在一起, 如果同时将这8个合缝法兰面全部加工完成, 这样肯定会节省工作时间, 而且整个工艺过程也会变得简单许多。但是在实际的机加工生产中, 由于零件的加工时存在各种各样的误差, 有机床误差、操作误差以及刀具磨损等, 且这4个单体件能够在保证图纸要求的精度范围内装配合格的几率是相当小的, 所以需要采用单体加工、两两拼装再加工与合装加工相结合来完成。
2.1 拼装方式选择
2.2 拼装注意事项
在拼装的时候必须满足两部件位置精度的要求, 由于蜗壳件比较大而笨重, 为保证两座环面的平面度误差小于0.05 mm, 所以必须采用打销孔、装入销子的方式来定位, 从而保证精度。
2.3 合装注意事项
在合装的过程中要注意先将销子定好, 然后再将螺栓、螺母紧固好, 由于在螺栓、螺母松开的时候, 在自身重力差以及螺栓的支撑产生的扭转力的作用下, 两个座环面之间产生了落差, 从而有了台阶面的产生, 所以在紧固螺栓、螺母的时候必须要用千斤顶将较低的一个座环面托起, 使得两个面在螺栓、螺母紧固好之后能够平行或者平行度误差在0.05 mm以内, 才能够继续下一环节即合装后的加工。合装完成如图5所示。
2.4 零件检验
该水电蜗壳的材料为普通钢材, 且为焊接件, 有可能在焊缝处留有缺陷, 或者在加工过程中受到拉伸导致零件表面产生缺陷, 为了使加工出来的产品能够达到预期的要求, 因此必须对零件进行探伤。
2.4.1 探伤方式介绍
常用的三种探伤方式 (PT, UT, MT) 各有其优缺点和适用范围, 简介如下:
1) 渗透探伤 (PT) :零件表面出现开口缺陷时, 渗透剂将会渗透进去;去除表面多余的试剂后, 喷上显像剂, 可以将渗透进去的试剂吸出来并在表面构成印记。适合探测部位:1坡口表面;2碳弧气刨清理完的刨槽表面;3焊缝清除后的刨槽表面;4工卡具铲除的表面;5不便于MT探伤部位的表面开口缺陷。适用性:1金属材料和非金属材料;2磁性和非磁性材料;3焊接、锻造及轧制等加工方法;4具有较高的灵敏度;5显示直观, 操作方便, 价格低廉。缺点:1只能检测出表面开口的缺陷;2只能检测出缺陷的表面分布;3灵敏度没有MT高。
3) 超声波探伤 (UT) :超声波在工件内部反射、透射, 在缺陷处产生异常的波形通过图像显现出来, 则此处即为工件内部的缺陷处。适用性:1适合对各种材料进行检测;2可对较厚工件进行内部缺陷检测;3善于检测出面积型缺陷;4检测成本低, 速度快;5无害无污染, 使用方便。局限性:1难检测不规则零件;2由于缺陷在内部, 所以难以直接看到3零件材质会对结果产生偏差。
2.4.2 探伤方式选择
此次需要探伤的部位主要是各个法兰面与座环面的焊缝处以及与法兰面在同一水平面上的座环侧面。由于内部的探伤在加工之前已经完成, 因此主要检测的都是表面或者近表面, 所以不会选择UT即超声波探伤, 只能在MT探伤和PT探伤方式之间来选择;由于MT探伤比PT探伤的灵敏度要高且不能在表面较为粗糙的情况下进行探伤, 所以必须在每次半精铣法兰面后在焊缝处进行MT探伤, 至于选择MT探伤的原因是因为此焊缝处为重要部位, 需要灵敏度高的探伤, PT探伤只能检测出表面缺陷的分布而不能检测出缺陷的深度;而对于最后的探伤检测而言, 追求的是时间短且由于前面已经经过了灵敏度较高的MT探伤, 零件出现缺陷的可能比较小, 所以选择PT探伤, 由于对MT探伤而言, 它的检测范围小且检测速度慢, 而PT探伤相对而言要快上一些。
3 结束语
薄壁类零件的加工在机械制造业中占有很重要的地位, 为提高零件加工精度与生产效率, 应充分考虑零件的固有特性进行整体分析, 选好加工步骤方能保证其设计要求。对于数控加工来说, 工艺流程是其应用的重要环节, 它关系到加工出的零件的正确性与合理性。本文以水电蜗壳为典型案例, 探讨了数控加工中的工艺规程, 选择合理高效的工艺路线, 对保证零件的加工质量, 提高数控机床的使用效率和使用质量都有重要的意义。
参考文献
[1]熊良山, 严晓光.机械制造技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社, 2007.
[2]杨继宏.数控加工:工艺手册[M].北京:化学工业出版社, 2008.
[3]施晓芳.数控加工工艺[M].北京:电子工业出版社, 2011.
[4]赵志修.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 1985.