形状不规则零件孔的加工技术探讨

夏靖原 邹 洋 李艳玲/沈阳透平机械股份有限公司

0 引言

轴流压缩机的静叶调节机构中有一种叫连杆的零件，是调节中央机壳上500余个静叶角度的连接零件[1]。中央机壳上静叶角度调节的精准度直接影响到机组内介质的流量[2]、影响到整个机组的性能和效率[3]，因此对调节静叶的连接零件——连杆的加工精度有严格的要求[4]。如果在数控加工中心设备上进行连杆零件关键连接孔的钻铰加工，可以保证加工精度满足图纸的要求；但由于一个静叶连接一件连杆，每台轴流压缩机中使用的连杆零件需要500余件，连杆零件的加工效率和加工成本是加工过程中必须要重点考虑的因素。因此，在加工工艺流程中，考虑应用普通钻床、利用模具完成对连杆零件的关键连接孔的钻铰加工；模具的结构和精度成为连杆零件加工能否满足图纸要求的关键[5]。

1 FV520B钢高速铣削试验

压缩机上的连杆零件结构和形状见图1。

该零件的关键尺寸是对φ10H7 孔的位置精度要求，该尺寸精度直接关系到机壳上静叶角度的调整精度[6],具体要求是：

图1 连杆零件结构形状示意图

①φ10H7 孔与φ20H7 扁孔的中心距达到70±0.1；

②φ10H7 孔与14.5H7 扁两侧边的位置度达到0.1。

按照加工工序的安排，步骤如下：

第一步，零件外形全部按图加工完成后，划线，钻φ14.5底孔；

第二步，在钻好的φ14.5底孔的基础上，在拉床拉削φ20H7和14.5H7扁孔，一次成型完成；

第三步，在钻床利用钻孔模具钻铰φ10H7孔。

每步工序完成连杆零件加工的结构形状见图2。

图2 连杆零件每步工序完成的结构形状示意图

在上述工序安排的第三步中，应用钻床利用钻孔模具钻铰φ10H7孔时，φ10H7孔的位置精准度是完全依靠钻孔模具[7]来保证的。此时，钻孔模具需要依据产品图纸的精度要求确定设计精度[8]。表面看，产品图纸对φ10H7 孔的精度要求似乎并不高，公差值要求也不是很小，相应的，对钻孔模具的精度要求也不会很高。但理论分析与实际加工效果却有较大的差异。

按照产品图的精度要求作为钻孔模具的设计要求，并适当考虑加工的效率，原始设计钻孔模具的结构示意图见图3。

此钻孔模具的结构特点是：

1）在连杆零件的φ20H7 值和14.5H7 值已经准确拉削完成的前提下，以连杆零件的φ20H7和14.5H7 做为钻铰φ10H7 孔时的定位基准——钻孔模具设置与连杆零件的φ20H7 和14.5H7 相配合的定位扁轴结构；

图3 钻孔模具结构示意图

3）为便于连杆零件在钻孔模具上钻铰孔时的装拆操作，钻模板设计成可拆卸式结构，并利用两个锥销与底座联接定位，以保证钻模板位置的准确性和可重复性；

4）为适当提高效率，同时设计两个钻孔位，一次装夹可以同时钻铰两个连杆零件。

理论上认为，此钻孔模具的结构完全能满足连杆零件的图纸要求，但实际的钻孔效果却并不理想。

在钻孔模具本身的结构精度符合工装设计图纸的前提下，经多次钻孔试验，钻铰连杆零件的合格率只有60%～70%，远低于工艺要求的95%的合格率。其中，主要是φ 10H7 孔与14.5H7 两侧边位置度0.1 的不合格率占比较大，数值的误差也最大；其次是70±0.1的误差。表1中的数据，是应用原结构钻孔模具加工连杆零件完成后，在三坐标测量设备测量的不合格连杆零件的具体数据值。

表1 原结构钻孔模具加工连杆零件测量数据值表

针对超差的数据，经多方分析，问题原因最直接的有以下两点[9]：

1）70±0.1 的数值超差较小，经测量最小值为69.86，超差0.04mm。分析原因：一是φ20孔与轴的配合间隙值直接影响70±0.1 值的大小；二是由于定位基准φ20H7 与钻孔板的钻孔位置不在同一平面上，有60±0.15的高度差，钻孔时，钻头对连杆零件有个向下的压力，使得连杆零件的φ10H7孔端产生了向下“沉”的弹性变形，即60±0.15 的高度发生了弹性变小；钻孔完成后，弹性变形又恢复原样，但连杆零件形状恢复后的70±0.1数值却不能是钻孔模具的数值了。因此造成了70±0.1值不符合产品设计数据。

2）误差较大的连杆零件φ10H7 孔与14.5H7两侧边的位置度，相差的数值没有明显的规律性可循。分析认为定位基准14.5H7 的间隙对此现象的影响较大。φ20H7、14.5H7 虽然是定位基准，但为保证连杆零件与钻孔模具上定位轴的顺利装拆，连杆零件的φ20H7、14.5H7 孔与定位扁轴的φ20 直径、扁14.5 的轴必须是间隙配合，14.5H7 的间隙值对此位置度有一定的影响，且70±0.1 的距离对此影响还有放大的作用，经计算：14.5H7 的设计间隙值在0.006～0.035mm 之间，经过孔距70±0.1 的放大，其位置度误差在0.03～0.17mm 之间；如果14.5H7 定位基准的间隙值再大于0.035mm，则产生的位置度误差就更大了，例如表1中3#件的实测数据。

为解决上述问题，我们修改了钻孔模具的结构方案：

1）为解决70±0.1 的数值超差问题，在钻孔模具上增加对连杆零件的定位约束,增加了可调整高度的支撑点，如图4 所示。在钻铰连杆零件φ10H7 孔时支撑在零件的悬空处，避免连杆零件可能产生的弹性变形。钻孔模具调整高度的结构示意图见图4。

图4 钻孔模具调整高度结构示意图

2）为解决φ10H7 孔与14.5H7 两侧边位置度相差较大的问题，首先改进了模具与连杆零件的配合方式，尤其控制与14.5H7 两侧边的配合为小间隙配合；又在连杆零件的钻孔模具上增加了侧边压紧结构，如图5 所示。此结构可以控制和调整14.5 两侧边的间隙量不会因连杆零件70mm 的距离和60mm 的高度而被放大，保证位置度在0.1mm 之内[10]。钻孔模具侧边压紧结构见图5。

图5 钻孔模具侧边压紧结构示意图

钻孔模具通过以上方案的结构改进后，批量钻铰连杆零件的合格率可以达到96%以上，在整机试车运行中，静叶的调整满足机组流场的分布要求[11]，达到工艺设计目标。

2 结论

在进行不规则形状零件的加工、尤其是批量生产的过程中，尽可能地应用普通设备进行零件的加工是降低制造成本的有效方案；为保证加工质量，开发和设计加工过程中专用模具是工艺程序中必不可少的手段和步骤[12]。针对不规则形状零件结构特点和严格的精度要求，模具的最佳设计结构与技术细节的处理[13]在模具的开发过程中越来越突显出来，并且需要开发人员认真研究探讨与反复的实验认证。上述钻孔模具结构的探讨过程，就是不断改进结构细节、不断在实践中反复认证的过程。

[1]李超俊，余文龙.轴流压缩机原理与气动设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2]刘力源，李志平.完全可逆轴流风机的设计与优化[J].风机技术，2013（5）：48-53，57.

[3]陈哲，刘应征.轴流压气机抽气对下游叶排流场影响的数值研究[J].风机技术，2012（3）：22-25.

[4]昌泽舟.轴流式通风机实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]张纪真，陆玛玲.机械制造工艺标准应用手册[M].北京：机械工业出版社，1997.

[6]潘素霞.冷凝式汽轮机轴流压缩机组安装技术改进[J].风机技术，2012（5）：82-84.

[7]范孝良.机械制造技术基础[M].北京：电子工业出版社,2008.

[8]梁炳文.机械加工工艺与窍门精选[M].北京：机械工业出版社,2005.

[9]夏祖印，张能武.机械加工实用手册[M].安徽：安徽科学技术出版社,2008.

[10]刘晓明，苏莫明，田琳.单级轴流风机准三维设计[J].风机技术，2011（6）：26-28，35.

[11]田斌，席德科，徐燕飞.轴流风机内部流动数值研究[J].风机技术，2004（5）：10-13.

[12]田琳，苏莫明.双向轴流通风机设计方法的研究[J].风机技术，2010（5）：32-34，39.

[13]吴秉礼，杨柳.轴流通风机最佳结构设计与技术细节处理[J].风机技术，2012（4）：34-38.