一種細長薄壁筒形零件的加工方法

李艷梅 周 海

(中國航天四院三江集團紅陽機械廠，湖北孝感 432100)

本產品是我廠為某廠配套生產的一種水下作業產品。該產品頭部小，呈半圓形，以避免航行時阻力太大，尾部呈圓柱狀。我廠在前期已為該廠配套加工過另一種型號產品，原產品為分段加工后經焊接而成，機械加工較簡單，重點在于保證產品的焊接質量，滿足水下作業技術要求。新型號的產品為整體機械加工，這就極大地增加了機械加工的難度，必須做好充分的工藝準備，以滿足產品的加工要求。

1 圖樣分析

圖1所示為工件外形圖，其加工內容并不復雜，關鍵在于解決加工時的變形和振動。

主要技術要求如下:

(2)殼體外形由線型參數坐標擬合成曲線所得，各點參數坐標如表1;

(3)殼體內曲線按線型參數表數據擬合曲線對應法向偏移獲得，保證殼體厚度5.5±0.5 mm;

(4)有8處10 mm×10 mm的加強筋，由殼體內壁法向偏移所得，加強筋與殼體內壁間連接圓角R3～6 mm，間距100 mm;

(5)小端有M145×2－7H內螺紋。

2 工藝分析

(1)殼體材料為5A06的模鍛件，具有較高的強度和腐蝕穩定性，切削性能良好，可用于焊接容器、受力零件。

表1 殼體線型參數坐標 mm

(2)殼體的長徑比較大，壁薄，因此剛性較差，裝夾時容易變形，不易保證加工精度。

(3)車削時產生的徑向切削力，會使殼體彎曲，從而引起振動，影響加工精度和表面粗糙度。

(4)由于殼體自重、變形和振動，影響工件圓柱度和表面粗糙度。

(5)殼體高速旋轉時，在離心力的作用下，彎曲變形會更大。

(6)小端孔的內部空間狹小，切屑不易排出，容易堵塞，極易拉傷內孔表面。

(7)車刀在孔內切削時加工情況不易觀察，尤其是車至小端內孔時無法看清內部切削情況。因此，加工過程很難控制。

(8)在切削過程中，殼體由于溫度升高會產生熱伸長。

(9)切削液不易注入到切削區，刀具和工件不能及時被冷卻，切削溫度高，刀具容易磨損。

(10)車孔刀的制作受小端內孔尺寸的限制，剛性較差，加工出來的孔容易產生形狀誤差。

(11)內外形均為圓弧曲線，不易檢測。

3 工藝準備

3.1 選擇加工設備

殼體小端孔口小，內型面與孔口直徑相差大，車刀無法從小端進入，不能從兩端分別進行加工，只能從大端一次車削完成。考慮車削內孔需退刀，因此，機床行程需不小于(工件車削長度×2)的行程。目前，滿足此要求的機床為德州數控車床CK61100D，該設備床身最大回轉直徑為φ1 000mm，導軌長度為3 000mm，尾座長度1 200mm，加工時需將尾座拆除，更換刀座法蘭盤以安裝加長刀桿。

3.2 設計、制作加長刀桿

殼體內型面為零件的加工難點，其加工刀具是保證零件質量的關鍵。該機床配備的刀桿長度只有800mm，無法滿足內型圓弧的加工，需設計、制作加長刀桿。為提高刀桿的剛性，選用Q235鋼管作為刀桿材料，且需盡量增加車孔刀桿的截面積，將刀桿設計成變徑刀桿，刀桿直徑為φ130mm，其中將刀桿與刀座法蘭盤內孔連接處的直徑變為φ120mm，安裝車刀處的刀桿直徑變細為φ100mm，以滿足小端內孔的加工，并在其端面開槽安裝刀體，刀體由固定螺釘固定在刀桿端面的方槽內，加長刀桿外形如圖2。

安裝刀桿時，應保證刀桿與殼體軸線基本平行，以防車削到一定深度后刀桿與孔壁相碰。

3.3 設計專用車刀

因小端內型孔直徑過小，標準的刀體車削時會與孔壁相碰，需將刀體改短，以滿足小端內孔的加工。

3.4 確定加工流程

根據對產品結構及工藝分析，并結合考慮生產周期和進度要求，加工工藝需進行生產能力平衡，工序不能全部集中在德州數控機床上，工序需進行分流，為此確定以下加工工藝流程:

(2)在臥式數控車床CK61100D上平大端面，粗、精加工內型面;

(3)在臥式數控車床上加工外型面至尺寸。

4 工藝控制措施

由于該零件細長、壁薄，剛性差，受力、受熱易變形，易產生振動，所以在加工中需防止或減小變形和振動。具體采取了以下措施:

(1)技術交底

工藝文件編制完成后，主管技術員專門組織相關的操作者、班長、主管調度員進行技術交底，分別從產品的加工工藝流程安排、加工設備的選擇、產品的裝夾方式、各工序間余量的分配、加工難點及控制措施、注意事項等方面進行了詳細介紹，并對加工過程中可能出現的問題進行了討論、分析，保證各工序間相互協調，提前做好加工準備工作。

(2)粗、精車分開

由于切削力、夾緊力和切削熱多方面的影響，會導致工件加工后產生變形，所以不宜在工件的一次裝夾中完成，而是應粗、精車分開。因為粗車時加工余量大，切削力和對工件的夾緊力也大，同時切削熱也較多，所以要在粗車后將工件慢慢地松開，調整一下夾緊力，以避免粗車時的受力變形和受熱變形對精車的影響。在精車時，因為加工余量小，所以切削力不大，對工件的夾緊力也可以相對地小些，以減小工件的夾緊變形。

精車前要降低工件的溫度，待降到室溫后再進行切削。

內圓弧采用3種進刀方式完成，加強筋及靠大端的8處型腔分別使用右刀、左刀采取由中央向兩側加強筋分別加工的方式，以保證內圓弧及每間隔100mm加強筋的形狀尺寸。加強筋左側面至小端內端面之間的型腔則用改制短車刀反向進給完成。

(3)提高系統剛性

因為工件大小端直徑差距大，懸壁長，工件剛性差，為此在距大端第3環形筋處用中心架支承，工件支承點的距離雖然只減少了1/3，但剛性卻增加了好幾倍。

制作了變徑刀桿，將安裝刀座處的刀桿直徑變細，以滿足小端內孔的加工;同時采用可調節刀桿，在滿足小端孔深要求的前提下，使刀桿的長度盡可能短。

(4)采用合理的工件裝夾方式

加工內型時，小端制作工藝凸臺，用軟爪卡盤夾小端外圓，并用壓板軸向夾緊工藝凸臺，通過改變夾緊力的方向來減小夾緊變形。大端因懸管長，工件在自重的作用下會下垂，內型一次車削進給時間較長，車削熱量大部分傳給工件，使工件溫度升高，產生軸向伸長變形，溫度愈高，伸長量愈大，因此在大端輔以中心架(見圖3)，對工件上、下、左、右的移動進行限制，使其只能繞軸線旋轉，有效地減小切削振動和工件的彎曲變形，從而提高工件的加工精度。

加工外型時，兩端制作相應的工藝堵頭，一夾一頂，既能保證內外型同軸度，又能較好地保證工件的加工質量和精度。

(5)合理地選擇刀具及切削參數

針對零件的材料特性及加工要求，加工刀具刃口須鋒利，不能使用鈍刀車削，內外形加工時均選用山特維克刀體，內形加工時選用山特維克刀片，外形加工時選用瓦爾特刀片。

在切削用量的3個要素中，背吃刀量對切削力的影響最大，過大的背吃刀量會使切削力增大，從而導致工件變形。高轉速切削會引起工件振動，加工中通過增加走刀次數來防止工件變形。

在試切削過程中，通過調整主軸轉速和進給量倍率，觀察參數變化后的切削情況，如果沒有明顯的振動噪聲及振紋，且能夠保證工件表面粗糙度，就將切削三要素的數值提高一些，這樣可在確保質量的前提下，有效提高加工效率。如果出現振動噪聲或較明顯的振紋，應首先減小吃刀深度及進給量，以確保工件表面粗糙度。通過反復試切，確定切削參數如表2。

通過合理選用切削參數，能減小切削力，從而減小變形，平衡加工質量和加工效率。

(6)使用切削液

加工至小端時，因孔深切屑容易堵塞，使用切削液能將切屑迅速沖走，對提高刀具壽命和保證加工質量都有好處。切削液選用鋁合金冷卻液波爾820。

車削時，中心架卡爪與工件接觸處每隔10～20min加機油潤滑，以減少卡爪與工件的摩擦熱。

表2 切削刀具及切削參數表

表3 42F203－1后艙大段壁厚尺寸8檢測記錄表 mm

(7)及時排屑

由于該工件孔的加工深度深，半精車、精車時產生的鋁屑容易造成內孔表面劃傷，甚至損壞刀尖，因此在精車、半精車每一刀完成后均設置暫停，以便及時清理切屑。

(8)記錄檢測數據

根據技術協議要求，殼體在焊接前外形需留加工余量，焊接后再加工至尺寸，保證殼體壁厚5.5±0.5 mm。根據焊接狀態，殼體加工時外形留2.5 mm。因型面為圓弧曲線，難于檢測，為此制作檢驗樣板檢測外圓弧，樣板用三坐標檢測，樣板與工件間隙不大于0.35 mm為合格。壁厚用測厚儀檢測，以殼體大端為基準，每2處加強筋中間部位周向均分測量4點。目前，已加工2件制品，檢測數據如表3。

從表3檢測數據可以看出，1#的壁厚尺寸8在8.15 mm～8.40 mm之間。經過分析檢測數據，及時調整了2#的內孔加工量，同時保證內外圓的程序起刀點一致。經改進后加工的2#的壁厚尺寸8在8.05 mm～8.32 mm之間，壁厚較均勻，能更好地滿足產品的焊后加工要求。

(9)直立放置加工后的工件

切不可將加工后的工件平放在平臺上。這是由于工件與平臺間為線接觸，任何一點外力作用時，工件在內應力的影響下都會產生變形，從而降低精度。其正確的放置方法為:將加工后的零件直立放置于平臺上，以增大它與平臺的接觸面積，從而減小變形。

5 結語

通過本次對艙體的試驗投產，摸索出了加工該類零件的加工方法，不僅滿足了生產需要，保證了產品質量，而且說明工廠具備較強外協產品配套加工能力，證明工廠精密機械加工具有較高工藝技術水平，也驗證了工廠軍工產品生產的競爭力。

［1］曾正明.實用工程材料技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］何建民.車工操作技術與竅門［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［3］邢鴻雁，陳榕林.機械制造難加工技術［M］.北京:機械工業出版社，2009.