提高壳体组件孔径向跳动合格率的工艺改进
时间：2023-02-27 08:50:07 来源：千叶帆 本文已影响人
□ 张红梅 □ 周华勇
中国航发西安动力控制科技有限公司 西安 710077
采用过盈配合将衬套压入并固定在壳体座孔内,是壳体组件的一种常见结构。一些组件需要控制衬套与壳体之间的某些位置尺寸公差。对于这类技术要求的实现,普遍的做法就是通过计算尺寸链并分配公差,分别对衬套和壳体的相关位置尺寸公差进行加严控制,以此来保证压装之后衬套与壳体的累积位置公差符合要求。
壳体组件如图1所示,口部壳体孔对衬套内孔有径向跳动精度要求。技术要求如图2所示,φ36 mm孔对φ9 mm孔的径向跳动不大于0.08 mm。φ36 mm孔是壳体孔,φ9 mm孔是衬套孔,压装衬套的壳体座孔尺寸为φ14 mm。长期以来该技术要求一直难以保证,加工的合格率很低。
▲图1 壳体组件▲图2 技术要求
径向跳动公差指被测要素某一固定参考点围绕基准轴线旋转一周时允许的最大变动量。壳体孔相对于衬套孔的跳动,受到的影响因素比较多,经过分析主要因素有以下四个:
(1) 壳体φ36 mm孔圆度偏差大;
(2) 衬套φ9 mm孔圆度偏差大;
(3) 衬套外圆对内孔径向跳动大;
(4) 两孔轴线同轴度较大。
对上述这些因素分别进行分析排查。
2.1 壳体φ36 mm孔圆度偏差大
壳体φ36 mm孔是径向跳动的被测要素,它的圆度偏差对测量的径向跳动值有直接影响。圆度偏差值越大,测量的径向跳动值越大。由工艺方法分析,该孔的加工是在加工中心上完成加工的,孔径大而深度浅,加工用的镗刀刚性足够,能够保证加工达到很高的形状精度。而根据实际测量结果看,该孔的圆度偏差都在0.005 mm以内,相比较径向跳动公差0.08 mm而言影响很小,所以可以排除壳体φ36 mm孔圆度偏差大的影响。
2.2 衬套φ9 mm孔圆度偏差大
衬套φ9 mm孔是测量径向跳动的基准要素,如果衬套φ9 mm孔的圆度偏差大,会因为计量采点位置的不同而导致测量径向跳动结果的不确定性。但是该孔是由研磨加工完成的,工艺过程都要求该孔圆度公差控制在0.002 mm以内,并且使用气动量仪百分之百检查合格,所以也可以排除衬套φ9 mm孔圆度偏差的影响。
2.3 衬套内外圆径向跳动大
衬套外圆的加工是以内孔为定位基准穿芯棒磨削加工的,这种方式加工的外圆对内孔的径向跳动都在0.005 mm以内。而衬套内孔的尺寸是在压入壳体座孔之后经研磨完成。
研磨内孔是一个自为基准的工艺过程,另一方面衬套孔的长径比接近于10,在这种条件下研磨孔很难改变之前由机械加工所形成的衬套内外圆之间的径向跳动值,所以这个工艺过程可以将外圆的径向跳动值控制在0.005 mm之内。因此,衬套内外圆跳动的原因也可以排除。
2.4 两孔同轴度偏差大
φ36 mm孔与φ14 mm座孔的轴线同轴度偏差对测量径向跳动值有直接的影响。理论计算可知,中心偏离增加0.01 mm,径向跳动值就会增大0.02 mm。而且从实际计量结果来看,有相当一部分壳体的φ36 mm孔对φ14 mm座孔的同轴度偏差为0.03～0.04 mm,由这个因素引起的径向跳动量可以达到0.06～0.08 mm。
2.5 综合分析
壳体加工工艺过程如图3所示。
▲图3 壳体加工工艺过程
第95工序中,φ36 mm孔加工到了设计尺寸,同时还有后工序定位所用的A面也是在这道工序中加工的。第105工序对A面进行了研磨。第200工序,精镗加工φ14 mm座孔到最终尺寸,定位基准是第105工序研磨的A面。分析壳体的加工过程可以看出,壳体的φ14 mm座孔和φ36 mm孔是在不同工序加工的,那么由于装夹及定位精度误差的存在,使φ14 mm座孔和φ36 mm孔的同轴度产生一定程度的偏差,从而影响组件中壳体孔对衬套孔的径向跳动。
经过以上分析,确定壳体φ36 mm孔对φ14 mm座孔的同轴度是影响壳体组件中径向跳动不合格的主要因素。
3.1 改进方案及对比
为了控制φ36 mm孔相对于φ14 mm座孔的同轴度,可以首先考虑将这两个孔一次装夹完成加工,但是鉴于这两个孔的表面处理要求不同无法实现,所以在后工序加工φ14 mm座孔时采用单孔找正的方法加工。具体的改进方案有两个。
方案一,在对壳体阳极化表面处理前增加半精镗φ14 mm座孔余量的要求,与φ36 mm孔在一道工序中完成,在对壳体阳极化表面处理后精加工φ14 mm座孔时,找正φ14 mm座孔自身,再精镗孔到最终尺寸。
方案二,在对壳体阳极化表面处理后的镗孔工序改为用侧面定位,加工时先单件找平A面,再找正φ36 mm孔坐标设置为零,然后精镗φ14 mm座孔到最终尺寸。这两个方案都是将φ36 mm孔相对于φ14 mm座孔的同轴度改为由机床的定位精度和找正精度来决定,可以确保将两孔的同轴度误差控制得很小。
比较这两个方案,方案一虽然增加了φ14 mm座孔的半精镗要求,但是加工者的手工作业量增加得不多。方案二虽然没有增加φ14 mm座孔的半精镗要求,可是还要找平A面,手工作业量和难度都比方案一有所增加,所以优先考虑采用方案一。
3.2 方案验证及分析
首先对方案一进行了验证,结果发现到壳体组件加工阶段所有零件的跳动值均全部超差了,φ36 mm壳体孔对衬套φ9 mm孔的跳动都在0.12 mm以上,比原来改进之前的超差情况更为严重。
对方案一的工艺过程及壳体结构进行分析,发现壳体高度比较高,φ14 mm座孔较深。找正一般都是在孔口部进行,即上端,而φ36 mm孔是在下端,可以认为φ14 mm座孔上下两端的中心投影到定位面上是不重合的,即半精镗后的φ14 mm座孔相对于定位A面是不垂直的。而半精镗φ14 mm座孔与A面铣加工同时在95工序一次装夹完成,φ14 mm座孔对A面肯定是垂直的。在105工序中又对A面进行了研磨,这是唯一可能破坏φ14 mm座孔对A面垂直度的环节。结合研磨加工的特点分析,由于壳体A面上的一边有凸起,在105工序研磨A面的时候不能清根,这样会导致研磨完的壳体A面偏斜,如图4所示。这样在200工序加工时,由于定位A面的偏斜,在对φ14 mm座孔找正时,φ14 mm座孔轴线是倾斜的,如图5所示。这种情况下,精镗的φ14 mm座孔与φ36 mm孔的同轴度会产生较大的误差。
▲图4 壳体面研磨偏斜▲图5 壳体孔偏斜
经上述分析,找到了问题的原因,验证确认方案二的改进思路。这一方案中,要找平A面,可以保证最终加工出来的φ14 mm座孔对A面的垂直度,再单件找正φ36 mm孔后进行加工,这样可以保证两孔的同轴度误差很小,以此达到控制φ36 mm孔对φ14 mm座孔的径向跳动值的目的。经过加工验证方案二是可行有效的,经统计,衬套压入并研磨后φ36 mm壳体孔对φ9 mm衬套孔的径向跳动合格率达到了100%。
壳体类零件结构复杂,要素多,加工过程比较烦琐,工序之间影响因素也很多,需要我们针对零件的具体结构进行分析思考,要多关注,多考虑零件的特殊之处。尤其对于一些采取传统的手工作业工序,要多思考这些加工方法的局限性和风险,对这些特殊结构在加工过程中会产生的实际影响要有准确的预见,这样才能切实提高工艺编制和改进质量。
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