CN111250932B - 一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，包括以下步骤：A、准备若干段主轴锻件，各段主轴锻件均加工至要求参数，整体组焊；B、焊接后内腔抽真空，焊缝氦检漏；C、在950~980℃环境下1.5到2.5小时高温井式热处理；D、采用一夹两拖加两顶尖方式装夹主轴，确立切削参数，反车加工；E、粗、半精和精加工后均分别动平衡、壁厚检查和偏心加工；F、百叶轮抛光Ra1.6外圆、衍磨Ra0.2外圆；轴身外圆PT；动平衡；根据动平衡结果，采用双四爪装夹，偏心加工配重；去除装夹段；铣端面、键槽、钻攻螺孔。本发明的好处是整体采用以焊代锻的制造方法，大幅降低制造成本；解决了316不锈钢主轴材料制成的细长轴存在挠度大，刚性弱和伸长变形的问题。
Description
技术领域
本发明属于主轴制造技术领域，具体是一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法。
背景技术
目前，具有代表性的一般水电主轴为20SiMn或类似材质，火电主轴为40CrMn类似合金调质钢，相关类似材质和结构的主轴目前公开文献资料查阅不到，只有用于核电泵轴采用涉及，目前相关业绩的泵轴全部为进口。本申请所涉及的主轴长度超过10000mm，直径最小不足300mm，材质为316不锈钢，为空心结构，壁厚最薄40mm，属于典型的奥氏体不锈钢薄壁细长轴，内腔表面要求无氧化，焊缝要求氦检漏超过10-7等级，形位公差精度最高0.025mm，粗糙度最高要求Ra0.2以内，动平衡G2.5级合格，以总重12T为例，最多残余不平衡重量不超过800g为合格。由于本申请所涉及的主轴结构过长，工件较细长，刚度弱、挠度大，而且加工易随温度变化而变化，无法整体锻造，目前现有主轴的制造方法无法保证316不锈钢主轴材料在高温、高速条件下的的材料的综合性能，包括晶界腐蚀、冲击和残余应力较小；同时也无法保证主轴高精度，包括尺寸公差和粗糙度等，满足主轴的长期运行服役。现有技术中的细长轴的生产方法迫切需要改进。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，适用于316不锈钢，解决了316不锈钢主轴材料制成的细长轴存在挠度大，刚性弱和伸长变形的问题，保证了在高温、高速条件下的主轴的综合性能和主轴的高精度；整体采用以焊代锻的制造方法，大幅降低制造成本。
为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，包括以下步骤：A、准备若干段主轴锻件，各段主轴锻件均加工至要求参数，整体组焊；B、焊接后内腔抽真空，焊缝氦检漏；C、在950~980℃环境下1.5到2.5小时高温井式热处理；D、采用一夹两拖加两顶尖方式装夹主轴，确立切削参数，反车加工；E、粗、半精和精加工后均分别动平衡、壁厚检查和偏心加工；F、百叶轮抛光Ra1.6外圆、衍磨Ra0.2外圆；轴身外圆PT；动平衡；根据动平衡结果，采用双四爪装夹，偏心加工配重；去除装夹段；铣端面、键槽、钻攻螺孔。
解决了316不锈钢主轴材料制成的细长轴存在挠度大，刚性弱和伸长变形的问题，保证了在高温、高速条件下的主轴的综合性能和主轴的高精度；整体采用以焊代锻的制造方法，大幅降低制造成本。
作为优选，步骤A中，依次完成以下分步：单件轴锻造；锻件去应力热处理；锻件粗加工；锻件组焊前成孔加工；单件轴坡口VT、PT；中间轴、下段轴组焊；焊缝VT、PT、UT和RT；上段轴和屏蔽轴组焊；焊缝VT、PT和UT；组焊件坡口加工；PT；整体组焊；焊缝VT、PT和UT。
进一步的，步骤C中，高温井式热处理采用965℃高温2小时，去应力热处理退火。
进一步的，步骤C中，在热处理后对焊缝进行PT、UT复验。
作为优选，在步骤D前，床头和床尾两处分别通过四爪装夹找主轴中心基准，车床钻两端面中心孔；步骤D中，主轴装夹单边留2毫米。
作为优选，步骤E具体包括以下依次分步：装夹单边粗车轴身，其余外圆光出，进行壁厚检查、跳动检查后，再进行动平衡结果，车床修正中心孔，偏心修正；单边留0.5毫米余量半精车外圆，其中：装夹外圆光出、热套外圆精车；热套；打配重孔；二次动平衡和壁厚检查；根据二次动平衡的结果修正中心孔，偏心修正；根据图纸要求依次精车轴身空心段外圆、衬套外圆；精车尾座轴身、床头实心轴和螺纹。
作为优选，精车尾座轴身、床头实心轴和螺纹时，轴身Vc=25~30m/min，ap=0.15~0.2，f=0.2；轴头、轴尾：Vc=12~15m/min，刀尖半径R=0.8，ap=0.15~0.2，f=0.2。
作为优选，步骤F之后包括步骤G：标识和清洁加工完成的主轴，包装后入库。
作为优选，步骤D中，一夹两拖包括床头四爪装夹和两拖轮架，两拖轮架间隙设置，组焊后的主轴一端被装夹固定，主轴固定在两拖轮架轴线；双顶尖中，床头为固定不可位移的死顶针，床尾采用可调的活顶尖。拖轮架还可作为跟刀架使用，解决细长主轴扰度大、刚性弱和伸长变形的问题，方便细长主轴的车削加工。
综上所述，本发明的有益效果是：解决了316不锈钢主轴材料制成的细长轴存在挠度大，刚性弱和伸长变形的问题，保证了在高温、高速条件下的主轴的综合性能和主轴的高精度；整体采用以焊代锻的制造方法，大幅降低制造成本。
附图说明
图1是本发明所应用的薄壁细长主轴的结构示意图。
图2是本发明中上段轴的结构示意图。
图3是本发明中屏蔽轴的结构示意图。
图4是本发明中上段轴和屏蔽轴焊接后的结构示意图。
图5是本发明中中间轴的结构示意图。
图6是本发明中下段轴的结构示意图。
图7是本发明中中间轴和下段轴焊接后的结构示意图。
图中：主轴1 上段轴2 装夹段21 热处理吊具固定槽22 屏蔽轴3 中间轴4 下段轴5。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1到图7所示的实施例：
一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，包括以下步骤：A、准备若干段主轴1锻件，各段主轴1锻件均加工至图纸要求，整体组焊；具体的，包括以下分步：单件轴锻造；锻件去应力热处理；锻件粗加工；锻件组焊前成孔加工； 单件轴坡口VT、PT；中间轴4、下段轴5组焊；焊缝VT、PT、UT和RT；上段轴2和屏蔽轴3组焊；焊缝VT、PT和UT；组焊件坡口加工；PT；整体组焊；焊缝VT、PT和UT。
B、焊接后内腔抽真空，焊缝氦检漏。
C、在965℃环境下2小时高温井式热处理；去应力热处理退火；在热处理后对焊缝进行PT、UT复验。
在步骤D前，采用四爪装夹找中心基准，车床钻两端面中心孔。采用双四爪装夹，按照中间轴4基准校正0.1毫米以内，屏蔽轴30.5毫米以内，下段轴50.25毫米以内校正，之后在附近位置车削基准，检查壁厚，修正中心孔，与外圆基准一致；本次光出的基准始终作为原始基准，保留至动平衡合格后再去除。
D、采用一夹两拖加两顶尖方式装夹主轴1，确立切削参数，反车加工；主轴1装夹单边留2毫米；一夹两拖包括床头四爪装夹和两拖轮架，两拖轮架间隔一米，组焊后的主轴1一端被装夹固定，主轴1固定在两拖轮架轴线；双顶尖中，床头为固定不可位移的死顶针，床尾采用可调的活顶尖。
E、粗、半精和精加工后均分别动平衡、壁厚检查和偏心加工；具体包括以下依次分步：装夹单边粗车轴身，其余外圆光出，进行壁厚检查、跳动检查后，再进行动平衡结果，车床修正中心孔，偏心修正；单边留0.5毫米余量半精车外圆，其中：装夹外圆光出、热套外圆精车；热套；打配重孔；二次动平衡和壁厚检查；根据二次动平衡的结果修正中心孔，偏心修正；根据图纸要求依次精车轴身空心段外圆、衬套外圆；精车尾座轴身、床头实心轴和螺纹；轴身Vc=25~30m/min，ap=0.15~0.2，f=0.2；轴头、轴尾：Vc=12~15m/min，刀尖半径R=0.8，ap=0.15~0.2，f=0.2。
F、百叶轮抛光Ra1.6外圆、衍磨Ra0.2外圆；轴身外圆PT；动平衡；根据动平衡结果，采用双四爪装夹，偏心加工配重；去除装夹段21；铣端面、键槽、钻攻螺孔。
步骤F之后进行步骤G：标识和清洁加工完成的主轴1，包装后入库。
本申请中所应用的主轴1包括从上到下依次设置的上段轴2、屏蔽轴3、中间轴4和下段轴5。上段轴2的上端设有装夹段21，装夹段21上设置拨叉孔、热处理吊具固定槽22，上段轴2的两端端面上分别设有中心孔，保证单件同心，由于上段轴2的轴身较细，为保证车削时的刚度需留有足够的余量；上段轴2的下端留有焊接收缩补偿量。屏蔽轴3的外径基准位置要求0.05圆柱度，用于组装、焊接和测量用；屏蔽轴3的下端预留焊接收缩补偿量；两端与屏蔽轴3轴线的垂直度0.03毫米，保证组装的直线度。屏蔽轴3的上端内设有内孔，内孔采用精密车削加工，粗糙度工艺控制为Ra1.6，便于清洁，能够方便控制热处理时的氧化，通过控制内孔和屏蔽轴3外圆的形位公差，不仅保证同轴度，同时保证屏蔽轴3的壁厚均匀。组焊前，先用高压20MPa水枪冲洗屏蔽轴3的内孔，然后用酒精清洗，用不起球的白布检查无变色，屏蔽轴3和上段轴2之间止口配做，配合间隙0.08~0.1；保证最终测量同心，保证组装的直线度。步骤A中，屏蔽轴3的上端与上段轴2的下端焊接，如图4所示，作为组焊步骤的一步，屏蔽轴3和上段轴2焊接时以屏蔽轴3的空心段为基准，组焊的直线度控制在0.5毫米以内，同轴度0.3毫米以内，后续测量壁厚。中间轴4为空心轴，步骤A中，如图7所示，中间轴4与下段轴5的焊接为组焊过程的二步，中间轴4同轴度控制0.03毫米以内，保证最终测量同心；中间轴4下端与中间轴4壁面的垂直度0.03毫米，保证组装的直线度；中间轴4的内壁面采用深孔车削加工，粗糙度提升至Ra1.6，便于清洁，方便控制热处理时的氧化；中间轴4内圆壁面和外圆壁面的形位公差控制在0.1毫米以内，不仅保证同轴度，而且保证壁厚均匀。下段轴5为叶轮轴，下段轴5的外侧表面同轴度要求0.03毫米以内，保证最终测量同心；下段轴5的下端垂直度为0.03毫米，保证组装的直线度；下段轴5的上端内也设有内孔，内孔采用深孔车削加工，内孔的粗糙度工艺提升至Ra1.6，便于清洁，控制热处理时的氧化，下段轴5的内孔和外壁的形位公差为0.1毫米，不仅保证同轴度，而且保证壁厚均匀。下段轴5和中间轴4焊接前，通过高压水枪冲洗中间轴4和下段轴5的内孔，然后用酒精清洁，用不起球的白布检查无变色；中间轴4和下段轴5的止口配做，配合间隙0.08~0.10，保证最终测量同心，保证组装的直线度。步骤A中，上两步的焊接顺序可以交换；如图1所示，焊接屏蔽轴3和中间轴4为组焊的第三步，焊接后的主轴1需满足图纸要求。需要注意的是，附图中，外框实线表示工件预留边界的示意图，内部线条表示加工完成后的实际结构图；除部分针对中心孔的剖切外，附图中的剖切仅对应加工完成后的实际工件结构。
本申请解决了316不锈钢主轴1材料制成的细长轴存在挠度大，刚性弱和伸长变形的问题，保证了在高温、高速条件下的主轴1的综合性能和主轴1的高精度；整体采用以焊代锻的制造方法，大幅降低制造成本。
Claims (7)
1.一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，包括以下步骤：A、准备若干段主轴锻件，各段主轴锻件均加工至要求参数，整体组焊；
B、焊接后内腔抽真空，焊缝氦检漏；
C、在950~980℃环境下1.5到2.5小时高温井式热处理；
D、采用一夹两拖加两顶尖方式装夹主轴，确立切削参数，反车加工；
E、粗、半精和精加工后均分别动平衡、壁厚检查和偏心加工；
F、百叶轮抛光Ra1.6外圆、衍磨Ra0.2外圆；轴身外圆PT；动平衡；根据动平衡结果，采用双四爪装夹，偏心加工配重；去除装夹段；铣端面、键槽、钻攻螺孔；
所述步骤D中，一夹两拖包括床头四爪装夹和两拖轮架，组焊后的主轴一端被装夹固定，主轴固定在中心架和拖轮架轴线；双顶尖中，床头为固定不可位移的死顶针，床尾采用可调的活顶尖；所述步骤A中，依次完成以下分步：单件轴锻造；锻件去应力热处理；锻件粗加工；锻件组焊前成孔加工；单件轴坡口VT、PT；中间轴、下段轴组焊；焊缝VT、PT、UT和RT；上段轴和屏蔽轴组焊；焊缝VT、PT和UT；组焊件坡口加工；PT；整体组焊；焊缝VT、PT和UT；
主轴锻件包括从上到下依次设置的上段轴、屏蔽轴、中间轴和下段轴；上段轴的上端设有装夹段，装夹段上设置拨叉孔、热处理吊具固定槽，上段轴的两端端面上分别设有中心孔，上段轴的下端留有焊接收缩补偿量；屏蔽轴的外径基准位置要求0.05圆柱度；屏蔽轴的下端预留焊接收缩补偿量；屏蔽轴的两端与屏蔽轴轴线的垂直度0.03毫米；屏蔽轴和上段轴之间止口配做，配合间隙0.08~0.1；步骤A中，屏蔽轴的上端与上段轴的下端焊接，作为组焊步骤的一步；屏蔽轴和上段轴焊接时以屏蔽轴的空心段为基准，组焊的直线度控制在0.5毫米以内，同轴度0.3毫米以内；中间轴为空心轴，步骤A中，中间轴与下段轴的焊接为组焊过程的二步，中间轴同轴度控制0.03毫米以内，保证最终测量同心；中间轴下端与中间轴壁面的垂直度0.03毫米；中间轴的内壁面采用深孔车削加工；中间轴内圆壁面和外圆壁面的形位公差控制在0.1毫米以内；下段轴为叶轮轴，下段轴的外侧表面同轴度在0.03毫米以内，下段轴的下端垂直度为0.03毫米；下段轴的内孔和外壁的形位公差为0.1毫米；中间轴和下段轴的止口配做，配合间隙0.08~0.10，步骤A中，上两步的焊接顺序可以交换；焊接屏蔽轴和中间轴为组焊的第三步。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，所述步骤C中，高温井式热处理采用965℃高温2小时，去应力热处理退火。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，所述步骤C中，在热处理后对焊缝进行PT、UT复验。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，在所述步骤D前，床头和床尾两处分别通过四爪装夹找主轴中心基准，车床钻两端面中心孔；步骤D中，主轴装夹单边留2毫米。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，所述步骤E具体包括以下依次分步：装夹单边粗车轴身，其余外圆光出，进行壁厚检查、跳动检查后，再进行动平衡结果，车床修正中心孔，偏心修正；单边留0.5毫米余量半精车外圆，其中：装夹外圆光出、热套外圆精车；热套；打配重孔；二次动平衡和壁厚检查；根据二次动平衡的结果修正中心孔，偏心修正；根据图纸要求依次精车轴身空心段外圆、衬套外圆；精车尾座轴身、床头实心轴和螺纹。
6.根据权利要求5所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，所述步骤E中，在精车尾座轴身、床头实心轴和螺纹时，轴身Vc=25~30m/min，ap=0.15~0.2，f=0.2；轴头、轴尾：Vc=12~15m/min，刀尖半径R=0.8，ap=0.15~0.2，f=0.2。
7.根据权利要求1所述的一种用于高温高速工况的薄壁细长主轴制造方法，其特征是，所述步骤F之后包括步骤G：标识和清洁加工完成的主轴，包装后入库。
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