大型回轉體薄壁支架類零件加工工藝研究

楊 洋，張海洋，戰祥鑫，焉 嵩，賈浩洲

(首都航天機械公司，北京 100076)

0 引言

大型回轉體薄壁支架類零件是艙體中的重要組成部分,是艙體中許多儀器的支撐部件,它對相關儀器能否安全可靠地工作有著重要的影響。該類零件的結構特點是直徑較大、壁厚較薄，且為了達到減重的目的會在側壁開有多處減輕孔，因此其結構剛性較弱，加工時極易產生變形和振刀現象，進而影響產品的尺寸精度和加工表面質量。因此對其加工工藝進行分析研究并提出有效可行的控制措施就變得十分重要。本文以艙體中較為典型的支架類零件貯箱支架作為研究對象，在工藝路線的安排、加工余量的劃分以及工裝胎具的設計等方面進行了加工工藝研究，保證了產品的加工精度和加工表面質量，為大型回轉體薄壁支架類零件的加工提供了行之有效的加工工藝。

1 產品分析

1.1 產品結構

貯箱支架是大型回轉體薄壁支架類零件的典型代表，產品外圓直徑為Φ684 mm，高為300 mm,采用2A14的鋁合金材料鍛造，且壁厚較薄，僅為6 mm，側壁上開有12處減輕孔以達到減重的目的。貯箱支架結構如圖1所示。

1.2 加工難點

1.2.1 產品易變形

大型回轉體薄壁支架類零件多采用鋁鍛件整體機加而成，鍛件毛坯與成品零件的重量比一般可達4倍～10倍以上。在加工過程中，由于從毛坯到成品有較大的加工余量，因而會產生較大的切削力。隨著余量的去除，切削加工中的殘余應力同時也得到釋放，當零件殘余應力峰值高于材料的屈服強度時就會產生失穩變形。因此，零件的外形就會由于應力釋放逐漸由圓形變成橢圓，不但造成零件圓度超差，還會在后續加工過程中造成壁厚尺寸薄厚不均的問題(如圖2所示)，最終導致形位公差和壁厚尺寸精度無法滿足設計需求。

圖1貯箱支架圖2支架變形情況

1.2.2 加工過程中易產生振刀

貯箱支架外圓直徑為Φ684 mm，高為300 mm,中空且壁厚僅為6 mm，零件的結構剛性本就較弱，然而為了達到減重的目的，還在側壁上開有12處減輕孔，這些開孔破壞了側壁原有的封閉結構，打破了材料的內在連續性，進一步削弱了零件的結構剛性。

在加工過程中，由于薄壁支架類零件的弱剛性結構，導致在切削力的作用下支架的側壁由于剛度不足而產生了嚴重的振顫，致使切削刀具在零件的加工表面留有明顯的振紋(如圖3所示)。這種嚴重的振刀現象極大地影響了產品的表面粗糙度，導致零件的加工表面質量不能滿足設計要求。同時，由于走刀過程中零件的振顫現象明顯，使得加工過程中刀具的進給量和主軸的轉速都必須控制在一個較低的范圍，因此嚴重降低了產品的加工效率。

2 解決措施

2.1 改進加工工藝流程以減小零件變形

零件內部復雜的應力情況是零件變形的主要原因，而切削過程中的切削熱和切削力是導致零件殘余應力的重要因素，合理控制切削熱和切削力的產生對控制零件變形有著重要的作用。因此在制定加工工藝流程時，采用劃分加工階段、合理分配加工余量、適當安排熱處理工序位置等工藝措施，提早釋放應力，預防可能會出現的變形。

圖3 振刀現象

為了避免精加工時去除較大的余量所產生的切削熱和切削力所造成的殘余應力變形，盡可能地在粗加工時去除更多的余量，使零件早一些釋放應力，早一些產生變形，以便在后續加工中進行控制。因此零件加工工藝流程(如圖4所示)采用了在粗加工后增加半精加工工序的方法，將粗加工工序時預留的5 mm余量,在半精加工工序時再去掉3 mm，最終僅留2 mm余量待精加工時去除，盡可能使精加工工序的加工余量減小且保證余量均勻，有效地控制了精加工工序中產生的結構變形。同時考慮到大型回轉體薄壁支架類零件側壁開有的多處減輕孔對零件的變形影響很大，因此采用在半精加工工序時預先開孔的方法，在精加工前，預先打破材料的內在連續性，使零件提早釋放應力，預防最終階段可能由于應力釋放不均而出現的變形。

圖4 貯箱支架加工工藝流程

此外由于在粗加工和半精加工階段需要去除大部分金屬余量，因而產生的加工應力比較大，為了消除加工應力引起的變形，在粗加工后半精加工以前以及半精加工后精加工以前，安排兩次消除應力的自然時效工序，使大部分零件內的加工殘余應力得到釋放，為最終精加工控制變形提供保障。

2.2 設計專用工裝防止振刀

在精加工過程中，由于大型回轉體薄壁支架類零件的弱剛性結構，導致在切削力的作用下支架的側壁由于剛度不足而產生了嚴重的振刀現象，致使切削刀具在零件的加工表面留有明顯的振紋。因此需要在精加工時，設計合理的加工工裝來增加零件的剛性，減小切削振動，提高產品的加工精度、加工表面質量和加工效率。

圖5 工裝設計尺寸及安裝示意圖

在大型薄壁支架類產品的精加工中使用該工裝胎具，利用不銹鋼工裝胎具自身的剛性和對產品的箍緊力就可以有效地提升產品的結構剛性，在精加工過程中使零件的振動減小，走刀量明顯加快，生產效率及表面質量得到有效提升。

3 結語

本文通過對大型回轉體薄壁支架類零件(貯箱支架)的加工工藝進行了實例分析與研究，提出了更為優化的加工工藝流程，提早釋放了應力，有效地控制了精加工中產生的變形。同時通過設計專用的工裝胎具，增強了產品的剛性，有效地避免了振刀現象，在一定程度上解決了大型回轉體薄壁支架類零件的加工難題，保證了該類產品的加工質量和尺寸精度，降低了廢品率，有效地提高了產品的生產效率。