某第四级整流叶片工艺分析.docx
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某第四级整流叶片工艺分析
某第四级整流叶片工艺分析
制订工艺规程的原则是:
在一定的生产条件下,以极低成本,高的效率,可靠在加工出符合图纸样及技术要求的零件,工艺规程的编制首先要保证产品质量,同时要争取最好的经济效益,本文将就某第四级整流叶片的工艺进行分析。
某第四级整流叶片是某发动机压气机的第四级整流叶片。
压气机的主要作用是提高进入发动机气流的压力,压气机中整流叶片是将工作叶片加给空气的动能转变为压力能,并将气流扭转到所需要的方向,使紊乱的气流变成均匀气流。
某压气机整流叶片,1-3级为钛合金材料,因为钛合金导热系数低,磨销加工时零件易烧伤、弹性模量小,容易变形,压力加工时尺寸不易控制,故采用热扎毛坯。
4-10级为1G11Ni2W2MoV,采用冷轧方法加工。
下面就第四级整流呈片的工艺进行分析。
1、零件图分析:
图中标明采用轧制方法加工,本零件采用辊锻轧制。
这是在轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺,辊锻是使坯料通过装有圆弧形模块的一对相对旋转的轧辊时,靠摩擦力的作用,得以连续进入轧辊受压而变形的生产方法。
它是实现叶片生产高效,无余量的主要工艺之一,此种工艺的经济效益特别明显,与铣削旧工艺相比,材料利用率提高4倍,生产率提高2.5倍,且叶片质量大为提高,由于是毛坯直接轧到无余量,手工劳动量大为减少,劳动条件大大改善,产品的表面硬度也提高了,抗拉强度及疲劳度均优于模锻毛坯。
叶片材料1G11Ni2W2MoV,属于马氏体型热强不锈钢,由于添加了W、Mo、V等强化元素,其室温和高温强度,持久强度,蠕变极限都很高,同时具有良好韧性和抗氧化性能工艺塑性好,技术条件YB677-71,品种规格为GB708-65,板材限厚0.5-4mm。
根据工艺要求,我们选取板厚是3.2±0.2mm,供应状态为热轧软态。
叶片型面复杂,不带叶冠,粗糙度0.8,要求低,WS11整流叶片相对与WJ6整流叶片来说相应尺寸的公差减小一倍多,故尺寸精度提高,给加工带来一定难度。
同时叶片的扭角增大,从0→VI截面,扭角从2从33°6′→35°58′,扭角过大,不利与后续工序如:
冷轧、全切等加工,原理如图所示:
F和F′是一对大小相等,方向
相反的力。
F可分解为F1和F2两个分力。
F1=Fcosa,F2=Fsina。
随着a的增大,F1增大,F2减小。
图1
由此可知,在冷轧或全切中,叶片型面上将受到一对相反的轴向分力,故需将设计图进行坐标转换。
在本零件中,我们取接近平均值的0截面摆平(a=0°)这也就是将原始坐标系XY顺时针旋转33°6′,建立新的坐标系X′Y′,如右图所示。
旋转后的数据见零件图。
零件图的技术条件中有:
(1)允许叶型剖面变形而扭转在±10′范围内如图1所示,这由型面测具来保证。
(2)叶片长度为28.44mm,分为6个截面,间隔为5.1~3.25mm,间隔过密,样板测量时无法靠住定位销测量,故Ⅱ、Ⅳ剖面不检查,数据仅供模具设计用。
(3)叶片型面上对规定型面的单边偏差在两边缘3mm上减薄不大于0.02,增厚不大于0.06,其余部位减薄或增厚不大于0.06,这可作为工人检查型面透兴的依据。
(4)叶片积叠轴对理论积叠轴沿Y′向偏移允差0.08,如图
(2)所示。
图2图3
2、工艺路线分析:
(1)某整流叶片的工艺路线安排:
领料(0)—→钳工(5)—→退火(10)—→下料(15)—→钳工(20)—→铣面1(25)—→铣面2(30)—→铣面3(35)—→铣面4(40)—→钳工(45)—→磨工(50)—→钳工(55)—→开坯(60)—→退火(65)—→粗轧(70)—→退火(75)—→精轧(80)—→退火(85)—→终轧(90)—→最终退火(95)—→钻孔(100)—→洗涤(105)—→全切(110)—→钳工(115)—→抛光(120)—→标印(125)—→磁力探伤(130)—→检验(135)—→抛光(140)
(2)其中0~55工序为毛坯准备阶段,60~140为精加工阶段。
叶片轧制(60、70、80、90)及全切(110)为关键工序,钳工及检验为辅助以序,几次退火为热处理工序。
其余为机械加工工序。
以下就一一加以分析:
如右图:
铣工加工出的
工艺凸台是为了后续工
序的定位,夹紧需要,
铣去的斜角的大小根据
以往经验给出,由试加毛坯图
工生产来最后确定。
图4
冷轧是关键工序之一,叶片型面由毛坯直接轧至无余量如右图所示,毛坯准备阶段加工出的工艺凸是轧制过程的加工基础,而终轧出的两锥孔2-φ4既是本工序的测量基准,又是后工序全切的加工基准。
参考试轧记录的参数进行开坯,粗轧、精轧及终轧工序,最后使叶片个截面满足技术要求,
如无需要,粗轧工序
可以不进行。
当叶片
型面不合格时,就需
要修模,轧模型面的
好坏直接影响叶片型图5
面的质量。
另外,因叶片进气
边比排气边缘半径大,在
轧制过程中,进气边材料
流动慢,排气边材料流动
快,故轧制出的叶片形状
如图所示,为避免叶片装
夹在测具中引进干涉,故
规定最大长度为25mm,但图6
最小长度必须大于4mm。
在每一道轧制工序后,钢件的机械性能低劣,存在残余应力。
如果不用中间退火,一直轧到底,除成型困难,容易损坏模具之外,叶片表面还会被“拉”裂。
故在每道工序之间安排退火,以除应力,改善钢材的机械性能,使塑性增强。
硬度降低,为后续工序做准备。
中间退火温度700±10℃,保温4h,用真空炉。
95工序为最终退火,本工序与前几道热处理工序有所区别。
退火温度580±10℃,保温4h,用真空炉。
其主要作用是使叶片硬度达到3.8≤HBd≤4.3。
根据零件图的要求,热处理工序按照工艺说明书Q/2B364进行。
图中带尺寸,如为理论正确尺寸,它是确定被测要素的理想状态,方向位置的尺寸,该尺寸不带公差,实际尺寸由工装设计保证。
110工序全切也是一道关键工序。
全切,即用冲模一次切去四周多余部分,省支砂轮切割等工序,提高了工效。
全切模冲切叶片时,冲头四周刃口,应尽量可能同时接触叶片,否则容易切歪,此外,顶料块型应与叶片型面良好贴合。
否则叶片边缘容易变形。
本工序后,叶片基本成型。
如图所示:
其中叶片长度及型面完全加工最终尺寸,a尺寸留有0.05mm余量由抛光工序(120)抛去,t尺寸留有0.25mm的余量由钳工工序(115)打磨掉。
故本道工序全切的质量对于加工有很大的影响。
如图所示,零件图中给
出的尺寸27.38±0.15无法直
接测量,可将其换算至A.M
两点,借助φ3的芯棒测量H,
换算过程如下:
在△ABCk,
AB=1.5ctg∠1=1.5*ctg(90°-5°40′)/2
=1.6562
BC=Abcosa=1.6562*cos5°40′
=1.6481
XA=BC+BE=1.6481+2.76
=4.4081图7
取XA=4.4081其公差由工装设计给出。
AF=XD-XA=6.3627-4.4081
=1.9546
DF=1.9546tg5°40′
=0.1939
H=ZA-2.5=ZD-FD-2.5
=30.354-0.1939-2.5
=27.66图8
取H=27.66±0.1故尺寸27.388±0.15由测量27.66±0.1间接保证。
为消除因尺寸换算及芯棒测量定位带来的累积误差,所以公差由±0.15缩小为±0.1。
本工序中的两圆孔为加工基准,而全切后的叶片以0——VI剖面为测量基准,故两剖面的精度要求较高。
两孔至积叠轴的距离由工艺确定,中心孔一般取在剖面最大厚度处Cmax,这样的优点是可防止冲切叶片时因摆放不平衡而产生翻转。
另外,需特别注意的是,在全切与抛光工序中共用一套型面测具,测具基准相同,故其测具原理一致,但在全切(110)工序中,定位面处留有0.05的余量由钳工工序(115)
打磨去,故其定位件与抛光(120)工序用定位件有所区别,这样才能即准确又经济地进行测量。
叶片经过轧制及全切
两道关键工序后基本定形,
再经抛光,进排气边边缘
半径,即达到零件图的技
术条件。
最后按工艺说明书
Q/2B356进行磁检(130)。
图9
按YJ0058验收。
3、冷轧叶片工艺的优点
(1)精度高:
目前中、小叶片型面精度可控制在0.12mm之内,是当国内叶片加工精度最高的工艺方法。
(2)工效高,叶片冷轧一道机动循环时间只5s左右。
(3)表面光洁度高,目前生产条件下,可达0.4以上。
(4)模具寿命长:
有资料介绍,是相应精锻模的五倍,我厂的冷轧模寿命在15000片次以上。
(5)设备动作简单:
相对吨位小。
(6)省材料:
属无切削成形加工,目前虽然要切去一部分工艺基准用料和少量毛边,但仍比其他工艺方法省料。
(7)金属材料在轧制变形中沿叶片纵向流动,纤维组织正合零件工作要求,强度高,并因表面残留压应力,疲劳性能好,
(8)经济效果明显优于苏联老工艺。
4、轧制中的缺陷及分析
轧制叶片本身动作比较简单,然而,轧制过程中影响因素比较复杂,因此,要轧得精确的无余量型面,就比较困难,有些现象似乎很难解释,但是经长期试验和生产的实践逐渐认识到,轧制叶片过程中金属变形的不均匀性是主要矛盾。
现分别叙述几个主要问题。
①正弯现象及其克服
所谓正弯,是指叶片的工轴在YO′Z平面内的弯曲,叶盆挺起,简称“挺肚”,叶盆凹下简称“拱背”。
轧制叶片容易“挺肚”,因为叶型的特点是中间厚,两边(进、排气边)薄,用轧模轧制时,叶片变形就不均匀,即两边相对压下量明显地大于中间部分,因而两边延伸大于中间部分,这是主要矛盾。
如图所示,由于叶型是弯曲的,所以从K向看,较薄的进
排气边在较厚的中间部分的上方,轧后ab延伸大于cd,即a′b′>c′d′,那么,在自由轧制(不用夹钳控制)的情况下,叶片必然如图那样变弯,即“挺肚”。
这是主要原因。
“挺肚”现象,我们主要用升高工作台的方法来克服,因为延伸包括前滑和后滑二部分,所以即便叶片两边与中间延伸不等,只要前滑能相等,叶片就轧直了。
如果工作台升得太高,就会“拱背”,应适当降低工作台,直至轧得合格的平直叶片。
叶片座标轴
图10
图11叶片挺肚原因
②波浪弯的现象及其克服
波浪弯是正弯的一种特殊情况,即叶片先辊的前半段叶身“拱背”,而后出辊的叶身“挺肚”。
克服波弯的现象,我们将夹钳的工作台作成可调倾斜角度的。
③侧弯现象及其克服
侧弯现象是指叶片的工轴在ZOX平面内弯曲,参见图10。
轧制叶片侧弯的主要原因是因为叶片进、排气边延伸率不
一致造成的,一般是向进气边弯曲,因为排气边比进气边薄
很多,绝对压下量相同时,排气边相对压下量就大于进气边,
所以排气边延伸率大于进
气边,因此产生向进气边a
侧弯。
进气边
为克服侧弯现象,在
进气边铣出一斜角a,a大
小由经验,及试轧情况确定。
参考图12。
图12
④叶型扭角的弯化及其控制
用与叶片型面扭角相同的模具轧制叶片,但轧出叶型扭角有的增大,有的减小。
其根本原因是叶片两边相对变形量大于中间部分,因而两边的前滑两大于中间部分的前滑量,这时如果由于工作台夹钳控制叶片无法“挺肚”时,在扎制力作用下,相对中间部分逐渐增长的两边金属就会造成叶型扭角的增大。
克服扭角增大的办法:
①增大压下量,
b
a
Z
d
c
b′
a′
Z
d′
c′
图13叶型扭角增大原因
此法由于压下量增大,变形区长度增大,因此两边展宽增大,前滑量相对减少,所以扭角减小。
②减小两边毛边宽度。
③增大两边毛边厚度。
这两种方法都是通过减少两边延伸率的办法,减少两边的前滑量,达到减小扭角的目的。
④分多次轧制,使每次轧制的变形量小。
5工艺尺寸及其确定
零件坯料开坯前的工艺尺寸,都是经过多次试轧后,根据谨严得出的。
且在实践中证明是可行的。
叶片开坯后的工序尺寸,是通零件图给出的数据经坐标换算后得出的。
6、总结
叶片的只要工艺分析基本完毕,但现在存在问题是:
叶片表面质量要求较高,对于小尺寸钢材叶片来说组织性能还未过错全摸透,最佳工艺参数有待进一步优选。
设备及模具有待进一步改进。
总而言之,某的第四级整流叶片工艺流程在生产实践中证明是可行的,但还需要进一步完善和发展。
全切后测具设计
检验测具是检验零件合格与否的专用夹具,本夹具对某第四级整流叶片全切后工序的检验测具(简称测具),因为某整流叶片要求高,叶型是空间曲线,所以本测具结构较复杂。
现就设计分析如下。
一、测具基本要求。
1、对零件的质量进行检验,
2、提高生产率,使用方便,
3、结构简单,有良好的结构工艺性和劳动条件。
测具设计时,要对基本要求有辨证的统一。
本测具设计时,重点是保证零件的检验,使用方便,检测直观,所以结构较复杂。
二、测量原理:
本测具检验时,用叶盆、叶背样板靠住叶片,调整间隙,观察样板与叶片间隙,通过透光检查叶片质量。
三、叶片定位装置及压紧装置。
零件零检验,就是使零件在测具中有一个正确位置,这就需要对零件定位,这是检测零件的关键。
叶片定位时,选择叶片前缘两点,叶背两点,及叶片两端面定位,如图
(1)
图
(1)叶片定位
定位时,零件进气边(前缘)支在定位板24和35的刀口上,限制了叶片的X′、Y′,叶背靠在定位板9和7上,限制了叶片Y′、Z′、X′。
叶片的一端顶在定位销32上,限制了叶片Z,这样叶片就全定位在测具上。
零件定位好了,还需要夹紧,否则零件在测量时位置移动,在叶片另一端面弹性顶尖45顶住,压杆26从叶盆面压住叶片,这样叶片就压紧了。
四、测量装置
叶片在测具上定位,夹紧后,即可测量,测量时叶盆样板和叶背样板,样板上有一段曲线分别是对应叶盆,叶背的形状,样板上有编号分别检不同剖面。
叶片定位后,由于叶片在空间的角度不一定完全满足要求,这就需要调整角度,本测具设计了这样的装置。
调整支架47,47可绕0-0中心旋转,在细调,这时,叶片随整个定位,夹昆机构绕0-0中心旋转,至到满足测量要求时,用滚花螺钉16锁紧。
图
(2)叶盆样板图(3)叶片位置
测量时,样板支靠在定距板34上,并且与定距板24上定位销3靠紧,叶盆型面与叶片盆面靠紧,调整调整板38,可调整样板与叶片盆面见的间隙,通过透光,检查叶片型面是否合格。
根据工艺规程要求,在型面测具上检查型面透光,当板板与测具的调整板38间隙为0值,进出气边缘3mm内不大于0.08,其余不大于0.12,即在两边缘3mm上减薄不大于0.02,增厚不大于0.06,其余
部位减薄或增厚不大于0.06。
测量叶背与叶盆。
定距板刻有0、1、3、5、6数字及刻线,分距检验0、I、III、V、VI剖面,测具总装图上的0、1、3、5、6刻线与定位销32的距离尺寸分别是0、I、III、V、VI剖面带的数据计算而来。
如:
1.75±0.03是0剖面
2.0-0.25=1.75其中0.25是样板型面厚度0.5的一半
3.25是I剖面
5.25-1.75-0.25=3.25
15.45-1.75-0.25=13.45
26.25-1.75-0.25=24.25
30.40-1.75-0.25=28.40
要控制精度,给予±0.03的公差。
这些尺寸是制造样板厚度的依据。
定距板34距0-0中心距离50±0.02须严格控制,因为样板与定距板34接触的表面距样板型面的积叠轴的距离50,所在此尺寸关系到样板与叶片的位置关系。
定距板34表面和底座底面K有平行度要求,允差0.01。
定位销对K及两侧N有⊥要求,允差0.005。
五、定位误差分析:
定位板24上的刀口与测具中心距离3.44±0.02。
定位板35上的刀口与测具中心距离2.81±0.02。
这两尺寸是保证叶片积叠轴与测量中心(重合的关系)在同一水平内重要尺寸。
△=0.04。
由于X′、Y′坐标是XY坐标旋转33°6′(详见工艺分析)得出。
即0截面a=0,与0截面扭角最大的VI截面扭角差2°52′。
在Y′方向误差:
△Ymax=△Xtga
=0.04*tg2°52′
=0.002
△Ymax很小,对本测具不影响检验精度。
即使再加上样板误差,测具安装误差,均能满足使用要求。
六、总体布局
本测具主要有底座5,底座上开有T形槽,定距板34通过键7螺钉8安装在底座中间部位,34上有六个定位销3,34两边分别安装支架14和51在底座5上,支架47两端安装在4和51上,支架47上安装定位板17和9,还装有顶尖45,定位销32及压紧机构,底座两侧中间装两块调整板38,详见测具总装图。
七、测具的安装调整
安距板34安装在底座5上,可调整,定距板上定位销3与支架47上定位销32的距离,定位板17和9上有烙印A、B字样,分别是全切、抛光和检验工序,不同工序使用不同位置可调整螺钉37得到。
定检合格后,将件11、12、15用漆封死。
定距板烙印刻线。
样板分别编号。
八、样板制造
样板形状见图
(2),须保证⊥要求,关键是叶型面,根据坐标换算后的数据加工出叶型面,且保证样板叶型积叠轴的尺寸50±0.02。
图4.样板
九、总结
本测具通过使用,证明是可行的,但还须改进。
后语
通过这次工艺、测具设计,把自己三年的学习知识复习了一遍,把理论知识运用到生产实践中。
同时,在设计中学会了辩证的看待、分析问题的方法,加强了自身设计的能力,解决问题的能力,总之,为以后的工作打下了良好的基础。
参考文献
工艺部分:
1、《工程材料实用手册》的《结构钢、不锈钢》;
2、《叶片冷轧新工艺》;
3、《喷气发动机》英国罗·罗公司编
4、《机械制造工艺学》机械工业出版社赵志修主编
5、《金属工艺学》高等教育出版社邓文英主编
测具设计部分:
1、《机床夹具设计》机械工业出版社李庆寿主编
2、《机床夹具设计手册》上海科学技术出版社