叶片电解加工范文（精选7篇）
叶片电解加工 第1篇
关键词：叶片叶尖,修复,电解加工,数值计算,牺牲层工艺
工作中的航空发动机叶片不仅要承受高温,还受到高转速下高压腐蚀性燃气的冲击,极易形成缺陷,必须及时修复以保障其运行安全[1]。受损叶片经堆焊填补缺陷后,具有粗糙的堆焊层形貌特征[2],需修型以恢复其原始尺寸,因此叶片修复工艺链主要包括堆焊与修型两大步骤[3],如图1所示。前人对堆焊技术进行了大量研究[4,5,6],而关于后期修型技术的研究,集中于对目前采用的机械磨削设备与工艺改进。采用机械磨削对叶片修型,存在刀具损耗大、易造成表面烧伤、残余应力过大、生产效率低等问题[7]。随着航空维修业对效率、成本的追求,磨削修型已难以满足叶片修复的需求[3]。
电解加工作为非接触加工技术,不存在机械加工中的切削力和切削热、电火花加工中的热影响,具有加工效率高等优点[8,9,10,11]。电解加工已被用于叶片制造,具有极高效率与可用精度[3,12]。电解加工用于叶片修复中的修型,具有提高修复效率的潜力。
与叶片制造不同,叶片修复仅在缺陷区进行,修复后的叶片不仅要求消除缺陷,而且非加工面需保持原始精度。钛合金是常见的叶片材料,其电解工艺规律特殊,加工中易出现定域性差、杂散腐蚀严重等问题[12]。传统的直接修型工艺中,非加工面暴露在电解液中,受杂散电流作用[13],易形成杂散腐蚀,影响非加工面质量,劣化修复精度。
为提高精度,前人研究了非线性特性电解液、辅助阳极、高频低脉宽电源等工艺[10]。虽然上述工艺能够减弱分散电流影响,但是无法完全消除杂散腐蚀,难以满足叶片修复的精度要求。绝缘层工艺通过隔离非加工面与电解液,可完全防止杂散腐蚀。但是绝缘层的隔离作用,将造成修型区与绝缘区电流密度的差异较大,进而导致修型区与绝缘区的加工量差异较大,在交界处产生“台阶”状缺陷。
可见,必须综合考虑杂散电流隔离与交界处电流密度分布特征,发挥两种工艺的优势。因此,本研究提出牺牲层工艺。如图2所示,钛合金薄层作为牺牲层,安装于非加工面上。牺牲层具有保护层与阳极的双重作用,既作为保护层,隔离杂散电流,防止杂腐;又作为阳极,与堆焊层同时被蚀除,防止“台阶”缺陷。在本研究中,基于电场的数值计算,分析了牺牲层工艺的可行性,并通过实验验证了牺牲层工艺的加工精度、表面粗糙度与可靠性。
1 电场有限元分析
为分析牺牲层工艺的可行性,对叶尖表面电流密度分布进行数值计算,2D模型结构如图3所示。在模型中按照表1的规律定义Γ1~Γ9边界,可以实现直接修型、绝缘层与牺牲层3种工艺的数值计算。
其中,Γ表示几何模型边界,Ω表示加工间隙电解液区域。
数值计算中,采用如下数学模型[14],
阳极边界:
阴极边界:
钛合金电解工艺规律特殊,仅当电流密度达到阈值,材料才能均匀蚀除,形成平整表面。上述特征与钛合金极化过程密切相关,但是描述极化的BulterVolmer方程中的i0等参数在当前的研究中难以获得[16]。为拟合钛合金电解特征,本研究引入阶跃函数keff。从物理量角度,可认为keff为钛合金在电解加工实验中的近似电流效率。
式(1)~(5)中,φ为电场各点电位,vn为阳极表面法向电解速率,M为质量分数,ρ为钛合金密度,n为参与反应电子数,F为法拉第常数,iloc为阳极表面法向电流密度,n为阳极表面法向量,η为电流效率,κ为电解液电导率。
通过式(1)~(5),利用COMSOL软件求解,即可获得3种工艺的计算结果,为了便于分析,计算结果表示为加工间隙电流线分布与阳极表面电流密度分布曲线。
如图4(a)所示,直接修型定域性差,作用于非加工面的分散电流造成杂散腐蚀,难以通过间接工艺彻底消除。阳极表面电流密度如图4(b)所示,可见杂散电流密度小于阈值(20A/cm2),无法均匀去除钛合金,而使得材料中耐蚀差的α相先蚀除[3],形成聚集的腐蚀坑,劣化表面质量。
(a)电流线分布;(b)电流密度分布(a)current line distribution;(b)current density distribution
如图5所示,绝缘层工艺中,通过绝缘层隔离,分散电流无法作用于非加工面,有效避免杂散腐蚀。但是,非加工区与修型区的交界处出现“台阶”缺陷。电解加工作为电化学加工技术,电流密度与加工速度成正比。绝缘层工艺中,非加工面电流密度为0,修型面电流密度急剧上升至70A/cm2,导致非加工面与修型面的加工量差异较大,造成最终的“台阶”状形貌;直接修型工艺中,交界处电流密度平缓增加,形成平缓叶尖外形。
通过上述分析可见,理想电流密度分布应由图4中A段与图5中B段组成。数值计算结果显示,如图6所示,牺牲层工艺的电流密度分布正符合此特征。牺牲层与叶片同为钛合金,将其视为整体,即与直接修型工艺相同,形成坡度平缓叶尖形貌;同时,牺牲层亦能隔离杂散电流,完全防止杂散腐蚀。故牺牲层工艺理论上能显著提高叶尖修型的精度。
(a)电流线分布;(b)电流密度分布(a)current line distribution;(b)current density distribution
(a)电流线分布;(b)电流密度分布(a)current line distribution;(b)current density distribution
2 实验验证
为验证前文的分析与计算,证明牺牲层工艺的可行性。建立实验系统,对3种工艺进行了对比性实验。
2.1 实验系统
实验中采用自制三轴联动卧式电解加工系统,见图7。该系统配有40kHz的脉冲电源,输出电压为0~24V,最大输出电流为2000A,具有短路保护控制功能。电源系统、电解液系统与机床系统集成控制,可实现电压、电流、电解液压力等参数的自动控制及信号采集。
(a)机床系统;(b)电解液系统(a)machining system;(b)electrolyte system
根据叶尖电解修型的需求,设计阴极系统,如图8所示。其中,工具形状按照cosθ法设计[16];为得到均匀的流场分布,设计了侧向供液阴极流道。叶片模型采用板边微弧堆焊后的TC4钛合金薄板(50mm×30mm×2mm),如图1所示。
2.2 实验方法
根据TC4钛合金的电解加工特性,实验中采用前期研究中获得的优化工艺条件,如表2所示。
为精确评价不同工艺的修型效果,利用DVM5000HD三维显微镜观察叶尖表面局部形貌,并摄取牺牲层工艺修型后的叶尖二维轮廓。此外,为保证牺牲层工艺的可靠性,连续对6组叶尖试样的两侧分别进行修型,采用SZX12型显微镜观察微观形貌。同时,通过Form Talysurf粗糙度仪测量修型面与非加工面粗糙度。
3 结果与讨论
3.1 3种工艺修型效果
3种工艺修型效果如图9所示,直接修型中非加工面出现了杂散腐蚀现象;对于绝缘层工艺,交界处形成“台阶”缺陷,影响流场分布,形成流纹。与上述传统工艺相比,牺牲层工艺防止了缺陷产生,得到精度较高的修型效果。
3.2 采用牺牲层工艺修型的叶片形貌
如图10所示,摄取XOZ,YOZ截面的二维轮廓。可见,XOZ截面轮廓与仿真结果相同,无“台阶”、杂散腐蚀缺陷;YOZ截面轮廓较平直,可见牺牲层设计合理,电解修型过程稳定。
为验证牺牲层工艺的可靠性,连续对6组叶尖试样的两侧分别进行修型,加工过程稳定,每组修型时间为60s,加工出的试样如图11(a)所示。叶尖截面如图11(b)所示,6组实验结果相对误差较小,可见牺牲层工艺具有较好的重复精度与可靠性,为叶尖进一步的精加工创造了条件。
为精确评价牺牲层工艺修型后的表面精度,如12所示,对A非加工面、B交界处与C修型面三个典型区域截面的微观形貌观察,可见典型截面表层无影响层,非加工面仍保持原有精度,交界处过渡平缓,满足叶片形状要求。如图13所示,非加工面与修型面的表面微观形貌较平整、无明显腐蚀缺陷,且形成耐腐蚀的氧化薄层,具有较好的表面质量。
(a)直接修型工艺;(b)绝缘层工艺;(c)牺牲层工艺(a)directly shaping;(b)insulated layer;(c)sacrificial layer
(a)加工后叶片形貌;(b)对应截面形貌(a)machined blade profile;(b)corresponding cross-section profile
(a)典型区域;(b)微观形貌(a)typical regions;(b)micro-morphology
牺牲层工艺修型后的粗糙度如图14所示,其中修型面粗糙度为Ra=0.488μm,非加工面粗糙度Ra=0.283μm,表面质量具有较高精度,满足设计要求[3]。
(a)非加工面;(b)修型面(a)non-machined surface;(b)shaped surface
(a)修型面;(b)非加工面(a)shaped surface;(b)non-machined surface
4 结论
(1)基于堆焊叶尖的电解修型,通过直接修型、辅助绝缘层和辅助牺牲层3种非加工面保护工艺实验结果对比,结合数值计算结果,验证了采用辅助牺牲层工艺,具有优化加工精度的作用。
(2)通过数值分析与实验结果对比,验证了引入keff以拟合钛合金的电解加工特性,有较好的准确性。
(3)数值计算表明:直接修型工艺形成杂散腐蚀的原因是电流的分散;绝缘层工艺形成“台阶”缺陷的原因是交界处电流密度的突变;牺牲层工艺既隔绝杂散电流又形成平缓电流密度过渡,能得到良好的修型效果。
叶片电解加工 第2篇
随着微电子器件的高频集成,微细电解加工得到广泛的研究和运用。微细电解加工是一种特种加工技术,是以加工工具为阴极,被加工工件为阳极,阳极以离子的形式发生阳极溶解,来获得与阴极形状相同的微结构。微细电解加工是非接触式加工,具有工具电极无损耗、加工范围广、加工表面质量好、无残余应力等优点[1~4]。电解液循环系统是微细电解加工机床的关键组成,不仅要为电解加工持续供应具有足够压力和流量的电解液,还要使自身维持恒定的温度和一定的电解液浓度,电解液温度和浓度恒定是电解加工一致性和重复精度的保证[5,6]。特别地,电解液泵通常是采用抗腐蚀离心泵,第一次启动前需要自动灌注电解液,暂停期间又不能让回路中的电解液回流,以免再次启动时仍需灌注电解液。因此,面对电解液循环系统多环节控制问题,其控制系统显得尤为重要[7~10]。
针对电解加工电解液循环系统多环节自动控制问题,本文设计了一种基于PLC的电解液循环控制系统。首先,介绍了电解液循环系统的工作原理,然后,搭建了控制系统的硬件构架,最后,实现了控制系统的软件详细设计。
1 电解液循环系统工作原理
电解液循环系统如图1所示。在系统运行前,在电解液箱内装入约2/3体积的电解液,将离心泵灌满电解液,打开电解液中的开关阀。自然状态下,二相二通电磁处于关闭状态,故离心泵内的电解液在大气压作用下不会流失。开启PLC控制系统,搅拌器开始旋转搅拌,温度传感器开始检测电解液温度,电导率仪开始检测电解液电导率。如果温度低于设定值,则加热棒工作,加热至温度达到预设值为止。如果电导率不符合设定值范围,则需要重新配置电解液,知道满足要求为止。当电解液温度和电导率都满足要求后,PLC自动控制电磁阀打开和离心泵启动运行。
电解液从吸液口经过滤器吸入泵中,由离心泵以一定的压力和流量打出,经过精过滤器、流量计、稳压阀、压力表等元件进入电解加工工作箱,参加电化学反应后的溶液,经过滤回流到原来的电解液箱。随着反应的进行,溶液的电导率会发生变化,这种工艺参数的变化会影响加工效果和产品的一致性。根据电解液的不同,电化学反应后一般出现水分的减少或溶质的减少两种情况,导致电导率下降或上升。系统中有两个补料箱,分别装有去离子水和高浓度溶液,通过PLC分别控制电磁开关阀1YA或2YA的开启和关闭,来定量补充水分的减少或溶质的减少。由于散热影响,当电解液温度低于设定值,PLC将控制加热棒通电加热,当温度达到预设值后,PLC控制加热棒断电。这样就实现了维持电解液温度和电导率的恒定控制。
在加工需要暂停更换工件,控制泵停止运行,同时控制3YA断电,使电磁阀处于闭合位置。这样做的好处是:可以避免液体回流,省去离心泵再次启动时需要灌注电解液的麻烦。当需要结束使用时,控制PLC各输出量断电复位后,再控制电磁阀开启并延时20秒后关闭,使系统管路内残留电解液全部回流到电解液箱。
2 控制系统硬件设计
根据电解液循环系统工作原理可知,其控制系统主要控制功能为起始动作顺序控制、温度恒定控制、电导率恒定控制、泵的二次启动控制,如图2所示。
电解加工环境恶劣,温度高,某些甚至散发腐蚀性气体,所以,特定环境下的控制系统硬件需要考虑诸多因素,如响应速度、抗干扰能力、系统稳定性、控制功能、参数修改柔性和整体经济性等。本文设计的电解液循环控制系统硬件构架如图3所示。以PLC为控制核心,输入为温度传感器、电导率仪,可以通过PLC的人机交互界面管理时间、温度和电导率的预设值修改。输出为泵开关、搅拌开关、加热开关、泵出口电磁阀及两个加料电磁阀。具体地,本文根据实际需要,控制系统选用FX2N系列PLC,型号为FX2N-16MT-D,它是具有16个I/O点基本单元的晶体管输出型PLC,使用24V直流电源。模拟信号需要经过A/D转换模块转换为数字量,才能输入PLC,因此选择A/D转换模块FX2N-4AD转换前向通道的模拟量。温度传感器选择耐腐蚀的T110型数显温度计,电导率仪选择CM-230型。输出开关量接电磁铁或继电器。
3 控制系统软件设计
3.1 控制流程设计
根据电解液循环系统的工作原理和功能要求,设计了控制系统程序流程图,如图4所示。系统开启后,首先检测温度和电导率值是否在设定值的范围内,如果不是,则进行相应的调整。温度不够就控制加热,水分缺少就补充去离子水,溶质缺少就补充高浓度溶液。完成参数的恒定控制后,启动泵运行,进行电解加工。在加工过程中不断控制两参数的恒定。如果需要更换工件,可以暂停运行。
3.2 PLC的I/O地址分配
在不考虑触摸屏的传统分配时,给出了PLC上的I/O点地址分配,如表1所示,对应的PLC外部接线图,如图5所示。三个按钮输入元件,在触摸屏的引入后可以虚拟到触摸屏人机交互界面中。
3.3 PLC程序梯形图设计
PLC最常用的编程语言是梯形图和指令表。根据程序流程图或者功能图可以很容易设计出PLC程序梯形图,并且可以转换为指令表程序。采用GX Developer模拟调试软件可进行计算机编程和调试,然后很方便的将程序写入到PLC中。该控制系统程序梯形图,如图6~图8所示。合并起来即整个程序梯形图。
4 结论
1)针对电解加工电解液循环系统多环节自动控制问题,本文设计了一种基于PLC的电解液循环控制系统,该控制系统主要控制功能为起始动作顺序控制、温度恒定控制、电导率恒定控制、泵的二次启动控制。
2)电解液循环控制系统通过PLC对温度传感器和电导率仪的检测数据与设定值进行比较,来实时控制加热棒和加料系统的启闭,保持电解液温度和浓度保持恒定;并同时控制搅拌器、离心泵、电磁阀的启闭,实现电解液循环系统的多环节自动化控制。
参考文献
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叶片电解加工 第3篇
叶轮加工是Cimatron E针对叶轮、叶盘类零件数控加工所设计的专用模块,该模块为叶轮、叶盘类零件的程序编制提供了非常简便和快捷的工具。叶片由流道面、左叶片、右叶片、叶片根部四部分组成。叶片多轴数控加工可分为以下四步:流道粗加工、流道精加工、叶片侧刃精加工、叶片清根。叶片三维模型如图1所示。
1 叶片多轴数控加工
1.1 叶片流道粗加工
叶片流道粗加工只需指定右侧检查面、左侧检查面、流道曲面、检查曲面,即可生成叶片多轴联动的粗加工刀具路径。其中左右叶片曲面用于限制刀具轴运动,而检查面主要起限制作用,将检查面以外的刀具路径进行合理的裁剪,提高刀具路径的加工效率。叶片流道粗加工控制面板如图2所示。其中右侧检查面选择右侧叶片的内侧面,左侧检查面选择左侧叶片的内侧面,流道曲面选择底下无缺口的曲面,检查曲面选择右、左叶片的内侧面。最大步距为1.5mm,毛坯余量(粗加工余量)为0.2mm,深腔切削时切削深度为1.2mm。进刀、退刀类型均为垂直相切圆弧。叶片流道粗加工刀具路径如图3所示。
1.2 叶片流道精加工
叶片流道精加工采用自动倾斜流道精加工,通过定义左右两边的叶片面控制刀具轴运动,使生成的刀具轴在两叶片之间摆动。流道精加工控制面板如图4所示。其中右侧检查面选择右侧叶片的内侧面,左侧检查面选择左侧叶片的内侧面,流道曲面选择底下无缺口的曲面,检查曲面选择右、左叶片的内侧面。最大步距为1mm,毛坯余量(精加工余量)为0mm。进刀、退刀类型均为垂直相切圆弧。叶片流道精加工刀具路径如图5所示。
1.3 叶片侧刃精加工
叶片侧刃精加工采用直纹叶片侧刃精加工,通过指定叶片曲面,利用曲面U、V方向的引导刀具轴运动。叶片侧刃精加工控制面板如图6所示。流道曲面选择底下无缺口的曲面,叶片导动曲面选择叶片根部4个面及叶片侧面4个面。侧向倾斜干涉控制打开,最大步距0.8mm,毛坯余量(精加工余量)为0mm。进刀、退刀类型均为相切圆弧。叶片侧刃精加工刀具路径如图7所示。
1.4 叶片清根
叶片清根采用专用模块的叶片清根功能来实现。清根加工主要用于清除叶片侧面精加工后叶片根部的残留余量。叶片清根功能主要通过定义导动曲面和两条曲线串限制刀具路径边界,指定倾斜曲线控制刀具轴运动。叶片清根控制面板如图8所示。第一条曲线为叶片根部与流道相交的曲线(4条),第二条曲线为叶片根部与叶片侧刃相交的曲线(4条),导动曲面为叶片根部曲面(4个),倾斜曲线为已知的曲线(1条),检查曲面为叶片侧刃曲面(4个)。最大步距为0.5mm,剩余毛坯(精加工余量)为0mm。进刀、退刀类型均为相切圆弧。叶片清根刀具路径如图9所示。
2 结语
叶片多轴数控加工由四道工序来完成,结果表明该零件的加工质量达到预期的加工要求。利用Cimatron E的叶轮加工专用模块进行叶片多轴数控加工编程时,编程人员只需选择对应的模块和设置相关参数即可完成程序的创建,由于该专用模块提取了所需的刀轴控制方式和简化了参数的设置,这可大大提高编程人员的工作效率。
摘要：为提高叶片数控加工效率和质量,提出了一种简便的、快捷的、优化的设计方法。以叶片高效率、高质量多轴数控加工为目标,结合企业生产实际,采用Cimatron叶轮加工专用模块进行设计,采用优化的数控加工工艺对零件进行多轴数控加工编程,为叶轮的数控加工提供了设计思路和方法,对其他类零件的数控加工方案具有重要的指导意义。
关键词：Cimatron,叶片,多轴加工
参考文献
叶片电解加工 第4篇
1 不锈钢的物理力学特性
不锈钢的主要特征是抗蚀性和抗氧化性优于结构钢,不锈钢的基本合金元素是铬(Cr)或铬-镍(Cr-Ni),分别构成Cr系及Cr-Ni系不锈钢。Cr是形成不锈钢抗蚀性的重要元素。含12%Cr的钢在大气和氧化性电解质条件下,呈现良好的钝化,具有良好的室温、高温抗蚀性与中温抗氧化性。含Cr越高,抗蚀性和抗氧化性越高。
不锈钢具有优良的冷变形加工性,室温及高温的高塑性和韧性。
不锈钢一般导热性差,弹性模量低,伸长率及断面收缩率大。
2 用砂轮磨削加工不锈钢
磨削不锈钢,磨屑极易附在砂轮表面上,使磨粒失去切削作用。增大砂轮与磨削表面的摩擦,增大磨削力及磨削温度,使加工表面完整性恶化。
砂轮堵塞的种类很多,不同的工件材料和加工条件所产生的堵塞状态各异,分类方法也不同。嵌入型堵塞主要是磨屑机械地侵嵌在砂轮空隙里,其中磨屑与磨粒之间并无化学粘着作用发生。粘着型堵塞的形成过程是:首先在磨屑和磨粒之间产生化学粘合,然后磨屑之间在机械力和压力作用下相互熔焊,形成了粘屑型堵塞。砂轮工作面及空隙处,既有嵌入型堵塞又有粘着型堵塞时,这种堵塞状态称为混合型堵塞。磨削不锈钢时为混合型堵塞。
磨削不锈钢(1Cr18Ni9Ti)时,可看到磨屑粘熔结在一部分磨粒和结合剂上,其表面有清晰的磨削挤压过的痕迹,成层状的磨屑已将磨粒完全包住。此外,也可以看到长的磨屑嵌在比较大的空隙中。
磨削不锈钢时砂轮堵塞的机理主要有以下几点:
(1)在磨削过程中,由于磨削温度的作用,易生成TiO2和Ti2O3,这种氧化物硬度与刚玉砂轮基本相当,这种硬度一致的材料在高温、高压下易产生粘合现象。
(2)氧化物Ti2O3和刚玉Al2O3晶体结构相同,点阵参数相近,所以Ti2O3和Al2O3之间有很好的亲和力。
(3)Ti元素化学活性大,易和碳、氮、氧生成化合物,这种化合物又易形成一种钛酸铝的固溶体Al2O3、Ti2O3,使钛与刚玉有了较强的结合,形成了新的化合物。
(4)钛的氧化物和刚玉的热膨胀率很接近,更提高了对刚玉粘附的可靠性。
由于以上原因,使不锈钢在磨削时,砂粒与磨屑之间极易产生化学粘合现象,造成砂轮堵塞。当磨粒刃口被第一层化学粘附层包住后,大大减少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑与待加工表面间的滑动和挤压过程中进行的,磨削力和摩擦热都剧增。这种高温、高压、高摩擦力的状态,促成了磨屑与磨屑之间的压焊过程,这种多个单元磨屑多次的相互压焊,形成了砂轮的堵塞,这就是粘着型堵塞的形成机理。
(5)砂轮磨损
用刚玉砂轮磨削不锈钢(1Cr18Ni9Ti),砂轮出现三种磨损类型,Ⅰ型:磨耗磨损,不出现粘附;Ⅱ型:磨耗磨损平面上粘附磨削;Ⅲ型:砂轮由点粘附扩展为面粘附,达到一定粘附率时,粘附物连同磨粒一起脱落,在砂轮表面上形成空穴。
磨削不锈钢材料时,砂轮会发生粘附磨损,粘附造成砂轮磨损的第一个原因是磨粒随粘附团的一起脱落,粘附磨损的另一个原因是随着粘附团的脱落,砂轮在粘附团附近的磨粒受到损伤,这些损伤的磨粒比较容易脱落。
3 电解磨削复合加工不锈钢
3.1 不锈钢表面电解磨削复合加工的加工原理
电解磨削复合加工,在一台机床上把机械加工、电解加工有机地结合起来,施加最佳加工能量,达到最优加工条件。
工具电极接直流电源的负极,工件接正极;用电解液泵把电解液泵入加工区,砂布轮以一定的转速旋转,并沿一定路线移动,同时砂布轮对工件表面施加一定的压力。接通直流电源后,工件表面受到电解阳极溶解和机械磨削的复合加工。
由于工件的加工表面高低不平,电解磨削复合加工时高处的钝化膜首先被磨粒刮除,露出的金属表面又会重新被电解溶解,溶解的同时又产生了新的钝化膜。低处的金属钝化膜因磨粒刮削不到而得以保留,这样就保护了低处的金属不被电解。这个过程不断循环进行,使得工件表面整平效率迅速提高,表面粗糙度值迅速降低。
磨削作用是提高电流效率的主要因素,磨粒磨削的目的主要是加速电解作用,电解磨削复合加工工件的表面粗糙度大小主要取决于磨粒的机械磨削程度。一般情况下,电解成膜的膜的硬度和强度大大低于金属本体,很容易被磨粒刮除。
3.2 电解液
电解液不仅起到电解作用,同时也能用来降低磨削区的温度,减少砂轮磨损、冲刷磨屑,因而它对磨削效果和砂轮磨损的影响有双重性。所选用的电解液应具有较高的导电性及流动性;阳离子不能在电极表面电解附着;该电解磨削液能在工件表面形成适当的非溶性钝化生成物,且腐蚀性小、无毒性作用,具有液体组成稳定、价格低廉等特点。电解磨削复合加工不锈钢(1Cr18Ni9Ti)选用NaNO3水溶液作为电解液。
3.3 砂布页轮
砂布页轮是涂附磨具中的一种,由许多砂布页片牢固地固定在一个钢套上。
涂附磨具是将磨料用粘结剂粘结,固定在柔性基体上的一种磨具,用于高精度、高效率磨削及抛光。磨料、结合剂、基体是涂附磨具结构三要素。涂附磨具的磨削、抛光性能及特征取决于基体种类及其处理、磨料种类及粒度、粘结剂种类及粘结强度和磨具形状、尺寸。
砂布页轮磨削机理:砂布页轮是一种用粘结剂将磨料粘结在柔软的基体上的特殊磨具,砂布页轮所选用磨料大都为精选的针状磨粒,粒度均匀,磨粒棱角比较明显,以静电植砂后,磨料以定向排列,呈单层均匀地分布在基体表面。通过改变植砂条件可以控制磨料植砂密度,以调整磨粒之间空隙,利于排屑和容屑。用砂布页轮磨削时,每颗磨粒相当于一把锋利的多刃刀具,各刃与工件接触角度、接触深度不同。因此,磨粒对工件既有切削作用,又有刻划与滑擦作用。前颗磨粒在工件表面上所留下的切削沟痕边缘及因刻划而产生的塑性变形,又被后一颗磨粒切削、刻划、滑擦,实现砂布页轮对工件连续的磨削加工。由于砂布页轮固有的特点,砂布页轮与工件接触区同时投入磨削的磨粒多,且锋利,故磨除效率高于固结砂轮,产生的磨削热少。且因磨粒之间分布空隙及磨粒在空间与空气接触时间长,易于磨削热扩散,故砂布页轮磨削温度低。由于砂布页轮具有柔软性且磨削速度稳定,加上具有弹性,对振动响应不敏感,易实现高稳定性磨削加工,获得高的加工精度和表面质量。
涂附磨具(砂布页轮)与固结磨具(砂轮)相比,具有以下特点:
(1)性能柔软“柔软”是涂附磨具的最大特点。它可以折迭、弯曲、卷绕和剪裁成条、块及各种形状,满足不同加工需要。
(2)磨粒微刃锋利静电植砂磨粒垂直于基体表面植入胶层,磨粒尖端朝外,且分布均匀,形成锋利的微刃,故磨削效率高,磨削表面纹理均匀。
(3)磨粒把持力大磨粒在静电场中受到持续电场力的作用下,以较大的动能植入胶层较深,胶层固化干燥后,磨粒获得足够的把持力,在磨削中不易脱落。涂附磨具在磨削过程中不存在“自锐”问题,在磨钝后更换新涂附磨具。
(4)使用方便安全涂附磨具重量轻、携带方便、更换容易、换后不需平衡,在使用中不需要修整。
砂轮磨削过程中,砂轮工作表面的磨粒会逐渐磨钝,砂轮磨钝后磨削力增大,磨削温度上升,发生颤振与烧伤,工件表面容易发热而出现烧伤。使被加工零件的表面完整性受到极大影响。同时,砂轮的磨钝也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状,使加工精度降低。因此,为了及时地除去磨钝的磨粒,为了使砂轮在使用中能保持正确的形状和锐利性,就需要定期对砂轮进行修整,造成磨具的大量磨耗。
砂轮的重心不在旋转轴中心线上时,砂轮存在不平衡,在砂轮高速旋转时产生离心力而引起振动,影响被加工表面质量,加快磨床磨损,还会引起砂轮的破裂,造成设备损坏,人身伤害。所以,安装前,必须校对安全工作速度,用木槌轻敲砂轮,看砂轮内部是否存在裂纹。砂轮装好后,须经过一次静平衡才能装到磨床上去。
(5)设备简单涂附磨具使用设备简单、易于制造、造价低、易于实现自动化。砂布页轮重量轻且震动小,且由于柔软,对振动不敏感,故对设备刚性要求较低。
(6)砂布页轮切削速度稳定砂布页轮在使用中磨损少,可以长期以稳定的速度进行磨削,这是一个突出的特点。砂布页轮稳定的磨削速度适合于高精度的磨削加工。固结磨具加工时大多数金属对砂轮速度变化敏感,特别是加工小曲面及高精度加工时更是如此。
(7)切削温度低砂布页轮磨削由于其间断磨削的特性,工件受热时间短,改善了散热条件,它可以在相同的磨削用量下比使用普通砂轮大幅度地降低磨削温度,有效地减轻和避免工件表层的热损伤,在相同的温度下可以大大提高磨削用量,获得更高的生产效率。砂布页轮断续切削,为电解液进入磨削区创造了有利条件,当磨削刃与工件分离时,电解液可以顺利进入磨削区,包围着磨粒进行冷却润滑。当磨削刃切入时,电解液被强力挤压,形成瞬时高压,使电解液直接深入到磨削刃与切屑的接触表面,充分地起到冷却和润滑的作用,降低磨削区的湿度。
所以砂布页轮与固结砂轮磨削不锈钢相比具有高效磨削、“冷态”磨削、弹性磨削的突出特点,具有广泛应用范围。
4 结论
不锈钢一般导向性差,弹性模量低,伸长率及断面收缩率大。给磨削带来困难。针对不锈钢加工特点,采用电解磨削复合加工,通过砂布页轮、电解液的选择及各种加工参数的合理组合,解决了用砂轮磨削不锈钢中的砂轮粘附、加工硬化、砂轮磨损、裂纹等问题,提高了不锈钢加工表面质量和使用性能,提高工件的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性,找到了电解磨削复合加工不锈钢的理论根据,使电解磨削复合加工不锈钢表面成为可行。
参考文献
[1]储兴华.磨削原理[M].北京:机械工业出版社,1988.
[2]李伯民,等.现代磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
小间隙电解加工的工艺特性 第5篇
小间隙电解加工工艺可以有效提高电解加工的精度、工件的形状精度与表面质量, 同时也能够对反向制造技术加以补充和完善。本文主要介绍制造过程中小间隙电解加工技术的使用, 同时探讨小间隙电解加工技术的发展方向。
1 小间隙电解加工工艺的优势
当物品的加工长度在120mm以内时, 可以使用小间隙电解加工工艺, 从而保证产品加工精度。此种工艺法可以将误差限制在0.02mm之内。加工过程中, 内部有高强度密集电流通过的电解液加工工艺, 如氯化钠电解液加工方式, 呈现出线性特点。通过氯化钠电解溶液加工稳定性不高, 所以急需提高氯化钠电解溶液加工法的加工精度。为了对0.05~1mm之间的断面加工间隙进行电解加工, 需要使用小间隙加工工艺。小间隙电解加工工艺法可以使用普通不含气的电解液加工出高精度的部件。使用小间隙电解加工工艺对材料进行非线性加工, 材料的截面精度误差维持0.03mm以内。特殊结构的小间隙电解加工工艺可将误差精度提升至0.04~0.02mm之间;部件长度在120mm之内的, 误差会更小。最重要的是, 阴极小间隙加工方式精度与电解液对材料加工过程可控, 电解液加工环节的线性和非线性对加工过程无影响, 是先进的电解加工技术手段。
2 小间隙电解加工技术工作原理
加工间隙的变化是决定加工精度的一个主要因素, 这里首先分析间隙变化的关系。端面平衡间隙的表达式为:。公式中, α表示电流效率, β表示体积电化当量, αβ因实用上的方便, 本文把它作为一个量来看待, 即实际电化当量, UR表示加工电压, K表示电解液的电导率, V表示进给速度, αβ在线性加工为常量, 非线性加工时则为变量。当△b已定, 仅讨论其微量变化时, αβ都可作为常量来对待。对公式全微分得:
3 小间隙电解加工技术特点
小间隙电解加工需要加工间隙内具有高压大流量的电解液。在氯化钠电解的使用过程中, 人们发现其具有线性的加工特性。在不同浓度和不同温度情况下, 向氯化钠电解液和硝酸钠电解液两种不同的电解液中施加不同的电压加工C45发现:使用氯化钠电解溶液加工C45材料的过程呈现出线性特点。试验中, 分别使用3%浓度、5%浓度、10%浓度和15%浓度以及25%浓度五种电解溶液, 施加电压20V, 电流密度从50A/cm2增大至850A/cm2, 平滑值维持在2.35左右。
通过氯化钠溶液或硝酸钠溶液电解加工1Cr18Ni9Ti材料都呈现出非线性规律, 且随着电解溶液浓度增加, 加工过程非线性的程度降低。在电解液溶液浓度一致情况下, 升高电压也会造成非线性加工程度的降低。硝酸钠电解溶液加工的稳定性比氯化钠电解溶液好, 但是加工不同材质的材料会呈现出不同的特点。
一般认为, 氯化钠电解溶液以及浓度大于26%的硝酸钠电解溶液是线性电解液然而, 根据试验结果, 这种认知已经被推翻。线性与非线性不是电解液的固有特征, 而是与被加工的材料有关。需要指出的是, 研究使用某种电解液加工某种材料时的加工特性是线性还是非线性, 对于提高加工精度有一定价值。一般情况下, 非线性加工比线性加工的精度要高。但是, 这也不是绝对的, 还与加工工艺有很大关系。目前, 普遍认为氯化钠电解溶液是线性电解液, 适合低精度加工。以上已经证明, 加工碳四、碳五材料确实是线性。线性加工能实现高精度加工, 在套型加工时采取相应的工艺措施后, 完全可以做到高精度加工[2]。
4 小间隙电解加工技术的注意事项
小间隙电解的优势是加工效率高, 加工的同时能够保证部件表面的平整程度, 适用范围广泛, 对于硬度极高的金属材料也能做到无损耗处理。它主要应用于高精尖、高精度的物件制造。航空航天业、汽车制造业普遍使用小间隙电解加工技术处理形状或表面复杂的部件。
小间隙电解加工技术能够加工非线性型腔体。对于间隙较大的部件, 必须要重视加工面的平整、缝隙的过渡、加工原料的剩余量和电场的分布问题。对于间隙较小的部件加工过程, 无须特别关注这些问题。小间隙加工工艺需要提升在重复加工部件内部时的精度, 并提升对特定部件模仿的加工精度。
特殊结构的阴极小间隙电解加工技术有利于减少加工部件重复加工时产生的误差, 控制同批次产品差别, 使产品的锥度和加工面形状以标准给定的数据进行加工。产生加工误差的原因主要有:由设备控制精度产生的加工参数的误差引起侧壁间隙的变化, 由杂散电流二次腐蚀的积累效应造成工件上小下大导致锥度的产生, 由阴极设计制造的误差引起套型加工的截面形状误差, 等等。所以, 要提高套型精度, 就必须设法减小以上误差[3]。
加工过程中要注意选择能够降低粗糙值的氯化钠溶液和硝酸钠溶液。音节小间隙电解加工工艺使用阴极特殊结构, 加工过程采用氯化钠溶液和硝酸钠溶液有利于提升加工部件的精细度。对1Cr18Ni9Ti材料的加工选用硝酸钠溶液为最佳, 加工高硬度金属如钛合金应该选用氯化钠和硝酸钠混合溶液[4]。
小间隙电解加工技术能够极大降低套型间隙, 使误差小于0.02mm。使用阴极小间隙电解技术能够得到更高的精度。同时, 为了保证小间隙电解加工技术的加工精度, 电解溶液需要先经过多层过滤。多层过滤环节用来保证加工过程中使用的电解液浓度达到标准。增大电解液泵的出口压力, 可使电解液能够更好地流出。要注意供液合理并缩短流程, 注意阴极的刚性, 防止振动;套型加工时使用铜钨合金阴极, 取消火花保护;加工型腔时不允许出现火花;利用加背压或使出水端处于收敛状态来改善流场, 以消除火花, 并降低粗糙度值。使用高压腔加工不仅能起到上述作用, 还可平衡掉部分反压。
5 结论
通过上文对小间隙电解加工技术的内容进行系统分析可知, 小间隙电解加工技术需要在复杂的环境下完成对部件的加工, 不同的电解溶液对其运行情况会具有明显的影响。所以, 要提高小间隙电解加工技术的工作效率, 必须严格控制氯化钠电解溶液和硝酸钠电解溶液的浓度。由于电解加工过程需要耗费大量的电力和电解液, 对电解液废料的处理和电力的合理使用, 需要受到重视。要尽量选择对环境污染小、容易中和的电解液, 以有效减少有害物质的释放。要选择高效率、低耗能的电解技术降低电解过程的碳排放量, 从而不断促进生态文明建设。
摘要：近年来, 随着我国电解加工工艺的不断发展, 电解加工技术发生了很大变化。高精度产品制造数量的增加, 使小间隙电解加工工艺的应用更为频繁。基于此, 本文将针对小间隙电解加工工艺的应用方法和技术升级进行深入分析。
关键词：小间隙电解,电解加工,电解工艺
参考文献
[1]刘桂贤, 张永俊, 罗红平, 等.基于SOPC技术的脉冲电解加工电源的研究[J].电加工与模具, 2015, (23) :27-30.
[2]沈敏敏.提高深小孔电解加工精度性能研究[J].科技传播, 2014, (15) :100, 98.
[3]刘勇, 曾永彬.微小结构高效电解铣削加工试验研究[J].制造技术与机床, 2014, (7) :114-119.
五轴联动叶片加工中心的应用 第6篇
1 五轴联动叶片加工中心概述
叶片式汽轮机、燃气轮机、航天发动机的核心部件, 具有非常重要的作用, 而五轴联动中心在发电机行业以及飞行制造行业中起着十分关键的作用, 其地位不可替代。叶片呈空间曲面的型面, 其形状非常复杂, 由多个圆弧组成叶片的叶根圆角, 某些叶片的叶身中部位置还会设置阻尼台。国内对于叶片的加工在设备和方法上经历了一系列的变革和更新。首先采用的是三轴机床, 此种方法加工应用较早, 机床主要对形状较为简单的叶片进行加工制造, 首先对叶片的一面进行初步铣削加工, 然后将其翻面后重新装夹进行另一面的铣削加工。采用三轴机床进行叶片加工, 需要对叶品坯体进行多次的翻面, 加工工序繁琐, 效率较低。但是因为其应用时间较长, 技术成熟经验丰富, 所以现今在国内还有所应用。其次是四轴机床, 此种机床配有A轴, 继承了三轴机床的优势特点, 但是在翻面上有所改进, 不需要进行手动多次翻面, 在生产效率上有一定程度的提高。最后是五轴联动叶片加工中心, 叶片在加工的过程中, 有时会具有阻尼台或者在加工两端有干涉。对于这种叶片的加工, 采用五轴联动叶片加工中心可以实现质的飞跃, 显著的提高加工效率, 是叶片加工的发展趋势。现今国内外市场对叶片需求量大增, 而且其形状也越来越复杂, 传统的三轴、四轴联动机床已经难以胜任加工任务。而我国国内五轴联动叶片加工中心还处于初级阶段, 技术还不成熟。对此, 本文特别设计了一种五轴联动叶片加工中心用于进行复杂的叶片加工。
2 五轴联动叶片加工中心的机床结构
五轴联动叶片加工中心主要用来加工型面空间复杂的或者窄长型的曲目零件。由直线轴和回转轴组成, 其中直线轴位X轴、Y轴和Z轴, 叶片回转轴为A轴, 刀具摆动轴为B轴。X轴、Y轴和Z轴的布置与立式加工中心的布置相类似, 但是在轴行程方面X轴要长些, Y轴和Z轴要短一些。X轴的行程根据叶片长度进行长短的调整。
本文设计的五轴联动叶片加工中心机床结构如下图1所示:
3 五轴联动叶片加工中心的机床结构特点
本文设计的五轴联动叶片加工中心, 对于复杂的叶片曲面的加工以及形状窄长的叶片加工方面具有明显的优势特点。第一, 刀尖轨迹方面进行了优化处理, 刀尖点处于B轴的回转中心上或者在中心的附近。B轴在回转过程中会带动铣削的主轴发生摆动, 从而引起X1轴进行插补的运动, 刀尖轨迹的优化有效的减少了插补, 使叶片表面的加工质量得以提高。第二, B轴回转中心与水平面的角度适宜, 成最佳角度45°, 这样可以使因加工干涉造成的加工范围的扩大得到有效的控制, 使其能够保持在标准的加工范围内。切削过程中会产生扭矩, 适宜的角度可以有效的避免扭矩向B轴上传输, 这使得B轴的刚性得以加强。第三, 机床配有副A轴, 使其在加工叶片的过程中, 特别是加工窄长型叶片时, A轴加上副A轴同时对叶片产生拉力, 有效的减少了窄长叶片在加工过程中产生的变形, 有效提高了叶片的加工精度。第四, 铣削主轴驱动为内置式电机, 使用陶瓷球轴承进行支撑, 而且进行预紧, 从而提高了主轴的转速, 增加了输出扭矩, 提高了回转的精度。第五, A轴和B轴的驱动全部采用力矩电机, 使用转台轴承进行支撑, 同时配置了精度较高的角度编码器闭环控制, 使反向间隙得以有效的消除, 从而实现了加大扭矩输出, 提高轴刚性的目的。第六, 刀具系统和工件系统实现了均衡的配备, 实现了有效动态性能的匹配, 防止叶片在切削的过程中发生过切的情况。第七, 机床中的直线运动部件采用滚动直线导轨, 并且配合滚珠丝杠进行传动, 同时配置高精度光栅尺闭环控制, 有效提高加工精度。第八, 叶片夹具和各轴的定向方面, 均采用气动的方式代替了液压系统, 不仅使能耗降低, 噪音污染也得以有效的控制。
4 五轴联动叶片加工中心的应用
叶片的型面是一种复杂的曲面, 有一定的弯曲度和扭曲度, 也是叶片加工中的重点和难点所在。五轴联动叶片加工中心对这样的曲面加工具有明显的优势。通常对叶片加工采用螺旋加工的工艺方法, 这也是因为五轴联动加工中心主轴回转的高速度, 同时角度可转换的优势决定的。正因为这样的优势特点, 可以是圆角刀在进行型面加工的过程中可以与曲面完全垂直, 在走刀过程中以恰当的前倾角度, 从而保证型面没有发生过切现象以及产生加工死角。
从加工实践中来看, 本文研究的五轴联动叶片加工中心有效的提高了叶片加工的质量和精度, 使加工效率有了明显的提高, 实现了叶品加工质的飞跃。
摘要：作为汽轮机、燃气轮机、航天发动机的关键部件, 五轴联动叶片的核心地位不可替代。叶片形状复杂, 其加工的精度和质量也有很高的要求。本文通过介绍五轴联动叶片加工中心的应用, 分析叶片加工中心的基本结构及其特点, 为叶片的高质量加工和优化设计提供可靠的参考依据。
关键词：五轴联动,叶片,加工中心
参考文献
[1]颜克辉, 孔祥志, 罗志久, 等.五轴联动叶片加工中心发展现状及其结构特点[J].金属加工 (冷加工) , 2011.
宽叶片螺旋钻杆加工工艺技术研究 第7篇
宽叶片螺旋钻杆为煤矿井下煤层钻孔中最常用的钻具之一。该钻杆的钻进技术是根据螺旋叶片连续排渣的机理, 在突出松软煤层中钻进瓦斯抽放孔的钻进技术, 由于其使用了螺旋压风干式排渣, 利用这种钻进技术和工艺进行松软煤层瓦斯抽排放孔的钻进, 能够使孔内瓦斯得以逐步释放, 从而有效地防止喷孔, 保证成孔率。宽叶片螺旋钻杆具有综合力学性能高、排粉能力好、孔内事故处理能力强等特点, 通过煤矿用全液压钻机卡盘与夹持器协调工作进行钻进, 无需增加任何辅助设备, 操作简单, 工人劳动强度低。
原传统行业大都采用与钻杆外圆尺寸相近的数种规格芯棒, 通过在芯棒外圆绕制螺旋叶片, 因每批次叶片材料含碳量不同, 绕制后螺旋叶片回弹、螺距变化。当与钻杆组焊时, 螺旋叶片内圆与钻杆外圆配合间隙较大, 给焊接带来诸多质量问题。采用手工电弧焊接螺旋叶片, 生产效率低下, 产品质量不稳, 如:咬边、未焊透、未熔合、夹渣等缺陷, 导致钻杆无规律断裂。
如何提高宽叶片螺旋钻干加工效率, 保证产品质量, 降低成本是现阶段急需解决的重要课题。
1 宽叶片螺旋钻杆加工工艺技术研究
目前重庆院设计的宽叶片螺旋钻杆外径尺寸为Φ73、Φ89, 长度尺寸为550、600、800、1000、1500。以使用量最大的63ZGLL73×1000宽叶片螺旋钻杆为例, 进行具体的加工工艺技术研究。63ZGLL73×1000宽叶片螺旋钻杆由63ZG1000光钻杆在外圆绕制了螺旋叶片, 通过双面焊将螺旋叶片与钻杆固定, 其设计图样见图1。
1.1 叶片下料工艺
根据Φ63宽叶片螺旋钻杆的订单数量, 确定叶片的下料方式有2种:一类是小批量生产螺旋钻杆, 叶片采用剪板下料法;二类是大批量生产, 叶片采用钢带开模法。具体加工工艺流程如下所示:
小批量:剪 (剪钢板) →校直→剪斜角→对接焊→预弯→待焊
大批量:剪 (将钢带一分为二) →剪斜角→预弯→待焊
1.1.1 叶片小批量加工
根据上述叶片生产流程图可知, 当采用小批量生产时, 需要考虑以下因素:
①剪板下料需要保证叶片的宽度尺寸20, 上偏差为+0.5, 下偏差为0, 剪切面与宽度方向基本垂直;
②叶片剪切后发生了弯曲、扭曲变形, 需校直, 采用卷板机校直;
③因剪板机行程的影响, 1000mm、1500mm长的宽叶片螺旋钻杆其叶片下料尺寸均在3m以上, 超出机床行程, 故叶片分段剪切后需采用对接焊满足加工需要;
④小批量生产宽叶片螺旋钻杆, 为便于绕制螺旋叶片, 叶片端头需使用预成型工装预弯。
1.1.1.1剪
为了保证加工质量, 液压式剪板机剪切叶片注意事项:
①根据不同的叶片厚度尺寸, 剪板机上下剪刃的间隙根据所剪切材料厚度不同需调整至不同的间隙, 一般以材料厚度的10%为间隙, 用塞尺检查间隙值。
②调整压料缸的压力, 防止板料在剪切过程中移动。
③后挡料用于板料定位, 位置由电机进行调节;通过调节后挡料的直线度 (小于0.5mm) 及距刃口的距离 (20mm) , 保证剪切叶片的宽度尺寸。
④刃口应保持锋利, 如刃口变钝、崩裂应刃磨或更换。
⑤剪切叶片时, 由2人协调送料, 保证钢板两端均紧靠后挡料板, 控制尺寸精度、取料等。
1.1.1. 2 校直
由于钢板在剪切过程中受剪刀的挤压产生弯曲变形及剪切变形, 影响螺旋叶片的成形质量, 故需将叶片校直。采用机械校正的方法, 即卷板机校直。
该方法生产效率高, 工人劳动强度小, 叶片校得很直 (卷板机机身应沉于地下) 。
1.1.1. 3 剪斜角
根据宽叶片螺旋钻杆组焊图可知, 螺旋钻杆叶片起始端头有斜角, 为便于后续加工, 该斜角需在绕制螺旋叶片之前加工, 即采用剪板机剪切斜角23.3°。通过定位块定位, 将叶片端头置于上下剪刀处, 点动开关执行剪切。
1.1.1. 4 对接焊
1m、1.5m长的宽叶片螺旋钻杆所需叶片长度均在3m以上, 超过剪板机行程, 分段剪切下料, 故剪板下料后需采用对接焊工装来满足生产。考虑到对接焊的实际焊接情况, 焊前需将两对接焊的叶片端头开Y型坡口, 以此将叶片焊牢。其对接焊工装如图4所示, 焊后需将叶片焊缝处打磨光整, 以便顺利通过绕螺旋叶片工装。
1.1.1. 5 预弯
为了便于绕制螺旋叶片, 需要考虑叶片端头的加工方式, 即采用预弯, 经过分析论证后得出, 如采用液压弯曲模具预弯, 设计较复杂, 成本较高, 故在压力机上采用预成型工装实现叶片端头的预弯, 预成型工装见图5。
1.1.2 叶片大批量加工
大批量生产螺旋钻杆, 叶片采用钢带开模法, 该方法的优点是:
①可以根据需要定制叶片宽度及长度尺寸;
②宽度及长度尺寸精确;
③叶片平直;
④避免了剪切产生的加工硬化。
1.1.2.1剪
本工序是根据叶片下料长度尺寸, 叶片通过卷尺测量, 划线后在剪板机上一分为二。
1.1.2. 2 剪斜角
同叶片小批量加工。
1.1.2. 3 预弯
同叶片小批量加工。
1.2 螺旋叶片绕制工艺技术研究
经过对宽叶片螺旋钻杆外形结构的分析和实验论证, 得出下述螺旋叶片绕制加工工艺流程, 满足加工需要, 即:绕制螺旋叶片→切除 (多余叶片) 。
1.2.1 绕制螺旋叶片
根据63ZGLL73×1000宽叶片螺旋钻杆外形结构, 螺距P=80, 分析可知采用车床上绕制螺旋叶片, 要控制螺旋叶片的成型、螺距、叶片的贴合度, 可通过以下工装来控制。
1.2.1. 1 限位芯轴
限位芯轴的作用:
①保证叶片斜角端距母扣端面尺寸6, 使三爪有夹持位置;
②防止绕制螺旋叶片时钻杆打滑;
③使用限位芯轴便于钻杆装卸;
④防止三爪将母接头装夹变形。
1.2.1. 2 绕螺旋叶片工装
①绕螺旋叶片工装的作用如下:
1) 控制螺旋叶片的成型;
2) 控制螺旋叶片与钻杆的贴合度;
3) 控制螺旋叶片螺距值;
4) 便于自动焊接。
②螺旋升角的计算及选取。
根据螺旋叶片成型原理可知, 螺距值P=80、D1=63、D2=75, 螺旋升角为θ1、θ2;
即螺旋升角在, 经过试制, 取22°作为设计工装使用。
③限位块材料及工作部分尺寸的确定。
为了提高限位块的耐磨性及疲劳强度, 并同时保持心部原材料所具有的韧性, 故采用低合金结构钢20Cr Mn Ti渗碳淬火处理, 渗碳层深度0.8-1.2mm, 表面硬度HRC58-64。
绕螺旋叶片工装采用了表1 (单位mm) 中的三组数据进行了试制加工螺旋叶片。
经实践证明, 采用第3组数据满足使用要求。
1.2.2 切除 (多余叶片)
因绕制螺旋叶片后出现了多余的叶片, 为了不影响后续工作, 故需切除, 通过比较分析, 选择砂轮机打磨。
打磨要求:
①打磨面基本与钻杆外圆垂直;
②防止打磨到钻杆;
③保证距公接头端面尺寸9mm。
1.3 螺旋叶片组合焊接工艺研究
根据前期的准备工作及现场工艺性试验, 确定组合焊接工艺路线如下:除锈→自动焊接→补焊。
1.3.1 除锈
通过前期的试制工作, 发现自动焊接螺旋叶片时, 焊缝在钢管外圆侧成形差、咬边严重。通过分析实验验证, 发现将钢管外圆表面除锈后焊缝成形良好, 目前有以下两种方案可以除锈。
①宽叶片螺旋钻杆除锈辅具除锈, 见图8所示。
本方案的优点是:工人操作简单、除锈效率高;缺点是:产生较大的扬尘、对钢管表面的铁锈凹坑不能彻底去除, 焊缝质量欠佳。
②焊接变位机夹持钻杆用砂轮机打磨除锈。
将待加工钻杆通过同型号公扣在焊接变位机上固定, 脚踏开关旋转主轴, 工人手持角磨机打磨叶片两侧焊道, 要求焊道宽度在5-6mm, 钻杆外圆表面的铁锈除尽即可。通过该方案的试制, 在自动焊接的过程中, 焊缝成形很好, 无咬边等焊接缺陷产生, 故采用本方案对钻杆焊道除锈。
1.3.2 自动焊接螺旋叶片
根据以往外协单位生产及矿上使用情况, 通过手工电弧焊接螺旋叶片, 焊接生产效率低、焊缝咬边严重、钻杆断裂事故较多, 在这种产品质量不稳定的情况下, 为了提高生产效率及控制产品质量, 开发了宽叶片螺旋钻杆叶片焊接专机, 此工艺方法比手工焊接效率提高5倍以上。
①螺旋叶片焊接专机主要组成部分及示意总图。
宽叶片螺旋钻杆焊接专机主要组成部分为:C618普车结构、数控部分、焊接工装、弧焊电源、送丝机构、焊炬、供气系统等组成。
②焊接参数。
根据前期专机调试及宽叶片螺旋钻杆试制, 焊接参数决定焊缝成形及焊接质量。表2列出了国产熔化极气体保护焊试制时自动焊接参数。
结合宽叶片螺旋钻杆现场试制情况, 选取表3数据为实际生产用参数。
③焊接程序。
本机采用了鑫科瑞数控系统控制主轴的旋转运动与丝杠的回转运动, 通过控制双方的运动来达成空间螺旋轨迹, 在通过辅助指令控制两焊枪的启停, 进行焊接。现以63ZGLL73×1000宽叶片螺旋钻杆分段焊接为例, 其焊接程序片段如下:
1.4 补焊1 0 cm。
因绕叶片工装的限制和靠模的影响, 自动焊后需人工补焊;钻杆公母扣处叶片两侧需全部焊牢, 有焊接缺陷的需要补焊。焊后不能及时回火的钻杆, 需埋入保温材料中保温12小时及以上, 钻杆最上层珍珠粉覆盖层厚不小于
1.5 回火
回火过程:将钻杆整体送入箱式回火炉中, 整齐叠放完毕后进行回火, 回火温度为560±10°C, 保温150min。回火前注意钻杆的摆放不能过密, 要让处于中间位置的钻杆也能充分回火。钻杆回火后获得索氏体组织, 以此将钻杆的强度、塑性、韧性都提高, 具有较好的机械性能。
1.6 打磨
因自动焊接、补焊及回火后钻杆表面产生很多氧化皮、飞溅, 为了便于喷漆, 故需对螺旋钻杆外圆表面去除焊接飞溅、焊渣、氧化皮。
1.7车
宽叶片螺旋钻杆外圆与煤矿液压钻机卡盘及夹持器配套使用, 所以在绕制螺旋叶片后钻杆外圆尺寸偏大, 需要在车床上使用夹紧套夹紧公接头外圆, 伞型顶尖顶住钻杆母接头内孔, 锁紧顶尖。车削螺旋叶片外圆达图示尺寸。
1.8漆
油漆涂装是一种在物体表面上, 通过刷、喷、浸或电沉击等方法, 生成一层或多层有机覆盖层的工艺方法。油漆涂装的目的主要是表面装饰、表面保护等用途。故需对钻杆表面喷黑漆处理。
2 质量控制措施
为避免宽叶片螺旋钻杆过早断裂, 提高使用寿命及减低成本, 采取以下方法保证宽叶片螺旋钻杆的焊接加工质量:
①补焊后及时回火, 回火温度控制在560±10℃。
②对入厂钢管进行裂纹缺陷抽样检测。
③避免焊缝有咬边、焊不透、夹渣等焊接缺陷。
④为了增强钻杆的强度, 自动焊接焊缝避免焊偏, 同时检测焊缝的尺寸对钻杆强度的影响, 通过力学实验选择合理的焊接尺寸。
⑤各种宽叶片螺旋钻杆必须与煤矿液压钻机配套使用。
⑥对断裂处钻杆, 线切割磨削后进行金相分析, 得出钻杆性能差异的根本原因。
⑦考虑新工艺, 如螺纹端渗氮处理等工艺方法, 提高钻杆使用寿命。
3 结语
通过研究宽叶片螺旋钻杆的加工工艺, 对试制的钻杆进行金相组织分析、断裂分析及现场工艺性试验, 结果表明:钻杆的试制工艺合理, 抗扭强度达到了设计要求, 采用车床绕制螺旋叶片后进行自动焊接工艺流程加工的钻杆抗扭强度更高, 性能更加稳定, 钻杆在钻进松软煤层时钻进效率更高, 使用效果更好。
摘要：为解决原宽叶片螺旋钻杆使用芯棒绕制螺旋叶片回弹大, 螺距不匀称, 同时手工电弧焊接螺旋叶片咬边严重, 焊缝成形差, 焊接生产效率低下, 产品质量不稳, 钻杆矿上无规律断裂频繁等现象。通过不断的试验探索, 研究出了更合理的工艺方法, 采用绕螺旋叶片工装及自动焊接专机焊接螺旋叶片, 提高了产品的整体质量及加工效率, 增强了产品的市场竞争力。
关键词：宽叶片螺旋钻杆,绕螺旋叶片工装,自动焊接专机
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