一種弱剛度口框的精密加工

崔 鑫 王 剛 陳 杰 謝飛強

(①天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機械公司，北京 100076)

一種弱剛度口框的精密加工

崔 鑫①王 剛①陳 杰①謝飛強②

(①天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機械公司，北京 100076)

某弱剛度薄壁口框采用鋼板整體機械加工，由于產品壁薄、結構復雜、剛度差，加工中存在難裝夾、加工振顫、易變形等難題。通過優化加工方案，實現了弱剛度口框的可靠裝夾，提高了工件的裝夾剛度，保證了產品的加工質量。

弱剛度；薄壁零件；裝夾剛度；裝夾方案

某口框零件屬于典型的弱剛度薄壁件，由于鈑金成型后型面回彈嚴重，因此采用鋼板機械加工而成。該工件由于截面復雜、壁厚較小、剛度較差，加工中存在難裝夾、易變形的問題。在精加工中加工振顫尤為嚴重，加工表面粗糙，刀具磨損嚴重。本文通過改進加工流程，優化裝夾方案，從而提升工件的裝夾剛度，解決了該工件的裝夾難題，同時抑制了加工振顫情況。

1 問題描述

某口框工件外形尺寸為550 mm×550 mm，整體為R1 667 mm的弧面，邊框為異型折邊， 整體壁厚僅有2 mm，如圖1所示，屬于典型的弱剛度薄壁件。該工件原加工工藝為鈑金成型，但是由于原材料30CrMnSiA，硬度35～40HRC，鈑金成型后邊框折邊回彈量大，且難以校形，導致產品無法滿足裝配使用。

為提高產品加工精度，滿足裝配使用需求，減小校形工作量，采用整塊鋼板將異型口框整體機械加工成型。由于產品壁厚小、截面復雜、剛度差，材料去除率達98%，整體機械加工存在問題如下：

(1)工件型面復雜，結構難以裝夾，影響加工精度。

(2)工件剛度差，裝夾力易造成裝夾變形，影響加工精度。

(3)工件剛度差，加工振顫嚴重，影響加工精度及加工效率，刀具磨損嚴重。

(4)工件材料去除率高，材料內部殘余應力釋放量大，影響加工精度及加工效率。

弱剛度異型口框整體機械加工難度較大，需通過優化工藝方案來提高加工精度和加工效率。

2 工藝方案

口框工件屬于典型的弱剛度薄壁件，型面結構復雜，機械加工中最大的難題是壁厚精度難以保證、工件難以裝夾。為提高口框的加工精度，制定工藝流程：粗加工→淬火→半精加工→去應力退火→精加工→發藍處理。

傳統的加工方案是通過制作裝夾模胎，將工件裝夾固定在模胎上進行加工。采用模胎的裝夾方案通用性較差，且模胎的制造成本較高，制造周期較長，技術落后。通過優化工藝方案，在加工中預留裝夾工藝邊，粗加工、半精加工中夾持裝夾工藝邊即可實現工件的可靠裝夾。在精加工時，通過夾持裝夾工藝邊，并輔以泡沫膠粘劑填充工件與工作臺間隙，可提高工件裝夾剛度，實現工件的可靠裝夾。

在精加工前增加去應力退火工序，可在精加工前有效釋放工件殘余應力，減小精加工后由于殘余應力釋放造成的變形程度。

3 實際加工

3.1 粗加工、半精加工

粗加工時采用線切割去除內外形大部分余量，同時保留內外形裝夾工藝邊。通過夾持裝夾工藝邊，銑削型面大部分余量，單邊留5 mm的半精加工余量。

粗加工后進行淬火35～40HRC。淬火后進行校平，使工件平面度<5 mm。

半精加工時通過夾持裝夾工藝邊，采用R5球頭銑刀沿周輪廓走刀路徑銑削加工。首先進行內弧面的銑削加工，再進行外弧面的銑削加工。半精加工進一步銑削型面余量，單邊留1 mm的精加工余量。半精加工中注意保留內外形裝夾工藝邊。半精加工后的工件狀態如圖2所示。

采用工藝邊裝夾的方式不會對工件產生額外的裝夾應力，可以避免由于裝夾造成的工件變形，提高工件裝夾的剛度及可靠性。

3.2 去應力退火

為了提高精加工時的加工穩定性，提高產品質量，減小加工變形程度，在半精加工后增加去應力退火工序，釋放工件殘余應力。去應力退火是將半成品工件加熱到一定溫度，保溫后空冷降溫，從而去除工件中大部分殘余應力，減小精加工后由于殘余應力釋放造成的加工變形程度，為后續加工提供較好的應力狀態。

3.3 精加工

精加工時通過夾持裝夾工藝邊，銑削型面余量，如圖3所示。由于精加工銑削型面時工件與工作臺存在間隙，且工件壁厚僅2 mm，工件裝夾后剛度較差，加工過程中工件發生彈性變形，加工振顫、讓刀現象嚴重，影響產品的壁厚精度、表面質量和加工效率，同時刀具磨損嚴重。因此精加工時需將工件與工作臺之間的間隙進行填充。

填充劑采用高阻尼泡沫膠粘劑。填充工件與工作臺間隙的泡沫膠粘劑固化后具有較高的強度和粘結性，能夠很好地填充裝夾間隙并起到支撐固定作用，待泡沫完全固化后可進行內外型面的精加工。精加工時采用R5球頭銑刀沿輪廓走刀路徑銑削加工，先進行外弧面的銑削加工，再進行內弧面的銑削加工。精加工時分多次走刀，每刀Z軸進刀量0.2 mm，最后兩次走刀每刀Z軸進刀量0.1 mm。工件型面精加工后，將粘附的泡沫膠粘劑鏟除、打磨干凈，然后通過線切割方式去除各裝夾工藝邊，完成產品的最終加工。

通過泡沫膠粘劑填充裝夾縫隙的方式，有效地提升了工件裝夾剛度，減小了加工過程中的加工振顫現象，操作易行，效果顯著。

4 加工效果

通過采用預留裝夾工藝邊、去應力退火、泡沫填充裝夾等工藝優化方案，實現了弱剛度異型口框的精密加工，加工后成品如圖4所示。加工后的成品壁厚均勻，滿足2±0.2 mm的精度要求，異型折邊和圓弧型面滿足裝配要求。加工后的成品無需校形，可直接投入裝配使用。

本文通過改進加工流程、優化裝夾方案，解決了弱剛度異型口框的難裝夾、易變形難題。預留裝夾工藝邊方案避免了裝夾過程對工件產生二次傷害，不會對工件產生裝夾應力和裝夾變形，同時提高裝夾的可靠性及可操作性。去應力退火方案使工件在精加工前殘余應力得到釋放，精加工后由于殘余應力釋放造成的加工變形得到控制。泡沫填充方案不受工件型面的約束，通用性、可操作性強，易填充易清除，抑制了加工過程中工件的彈性變形，解決了精加工型面時加工振顫問題，提升了工件的裝夾剛度，從而提高了產品壁厚加工精度和加工表面質量。

5 結語

弱剛度薄壁口框的精密加工方案易于實現，實施效果顯著，可應用于各類弱剛度薄壁工件的裝夾、精密加工，解決弱剛度薄壁工件的裝夾、加工振顫、加工變形難題。

針對弱剛度薄壁件的精密銑削可采用鏡像銑削、空化脈沖射流輔助支撐、柔性裝夾等先進加工技術，其根本都是提高系統剛度、減小和抑制工藝系統振動、減少工件彈性變形，可有效解決弱剛度工件的高效高精度加工難題。

[1]董輝躍，柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優選的有限元模擬[J].浙江大學學報：工學版，2004，38(1)：17-21.

[2]陳華，陳蔚芳，鄭會龍.薄壁件裝夾方案優選的有限元模擬[J].組合機床與自動化加工技術，2008(3)：63-67.

[3]朱婧怡，李蓓智，楊建國.基于薄壁零件工藝剛度的工藝優化[J].機械設計與制造，2011(2)：215-217.

[4]葉建友，呂彥明，孫斌，錢德成.薄壁件銑削振動分析及控制研究[J].工具技術，2014(6)：40-43.

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Precise machining of a square frame with weak rigidity

CUI Xin①, WANG Gang①, CHEN Jie①, XIE Feiqiang②

(①Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462, CHN; ②Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076,CHN)

A kind of weak rigidity thin-walled square frame is made by mechanical processing with integral steel plate. Because the wall thickness of the product is small, the structure is complex, the rigidity is weak, there are such problems like clamping difficulty, milling vibration, machining deformation. Through optimized machining scheme, the weak rigidity square frame achieves reliable clamping, the clamping rigidity has been promoted, the machining quality and efficiency have been improved.

weak rigidity; thin-walled parts; clamping rigidity; clamping scheme

TG50；TH16

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.019

崔鑫，男，1987年生，碩士研究生，工程師，從事航天整體結構件數控精密加工工藝技術研究。

(編輯 孫德茂)

2016-05-17)

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