大直徑薄壁深腔類框環零件加工工藝

■ 天津航天長征火箭制造有限公司 （天津 300462） 張朋朋 梁津鶴 姚 輝 樊艷權

1. 產品結構及加工難點分析

某薄壁深腔框環類零件為新一代運載火箭芯級核心承力結構件，飛行過程中需承受多重載荷的考驗，其結構強度直接影響整個飛行任務的成敗。該產品毛坯采用2219-T852鋁合金整體鍛環，外形規格為φ5 050×φ4 360×250mm，毛坯質量約3 400kg。產品型腔截面為梯形“工”字結構（見圖1a），型腔最大深度95mm，型腔網格間立筋寬度10mm，成品質量僅480kg，機加工過程中材料去除率高達86%。

由于產品材料去除量大，異形截面型腔切削受力不均衡，機加工過程中切削應力累積與釋放造成側壁變形較大，導致產品切削效率低、尺寸精度穩定性差，制約型號研制進度。

加工難點分析如下：

1）薄壁深腔。網格型腔最大深度為95m m，網格圓角R15mm，型腔特征要求網格精銑時銑刀最大直徑為30mm，最小長度為135mm（含40mm夾具高度），長徑比大于4∶1，屬于典型深腔加工。

2）產品變形大。網格型腔銑削過程中，網格間立筋（見圖1b）受單側切削力影響，易發生塑性變形，另一側銑削時導致立筋寬度變薄。

3）切削效率低。產品機加工過程中去除材料約2 900kg，其中70%以上材料去除由銑削完成，整個產品制造周期約2 000h，滯后于型號研制節點要求。

圖1 產品結構示意

2. 工藝方案

該產品機械加工過程中主要涉及車削和銑削兩種加工方式，材料去除量大且材料切削主要由銑削完成，若僅安排一次銑削工序，長周期加工必然導致變形增大，增加壁厚超差風險。因此，根據產品特點和現有能力，工藝人員安排進行兩次銑削。為消除加工內應力、減小銑削變形，在銑削之前分別進行時效去應力，加強制造精度控制。此外，為消除時效引起的變形，在時效前后安排多次車削工序，并為銑削提供找正基準。

3. 車削

該產品毛坯直徑約5 050mm，結合車間現有工藝裝備，選擇普通數控雙柱立式車床進行車削。該機床工作臺直徑6 000mm，最大車削直徑6 300mm，滿足產品加工需求。

由于產品壁厚較薄，型腔截面不規則，為減少殘余應力對于精度穩定性的影響，產品粗車時需盡可能多地進行材料去除工作。結合前期同類φ5 000mm框環零件變形情況，設定粗車后產品單邊余量8～10mm，便于后續時效過程應力釋放造成的變形量去除。

產品半精車前需測量內外圓柱面圓度和端面平面度，對產品振動時效效果及殘余應力釋放情況進行評價。根據評價結果，設定半精車后產品余量一般為3～5mm，如圖2所示。在保證精車產品成形的前提下，盡可能將材料去除量前移，減小切削應力釋放造成的產品變形。

圖2 產品車削余量示意

4. 銑削

該產品型腔截面為梯形結構，若采取傳統單層平面銑削方式，必然造成頂部斜面部分大量空行程，不利于生產效率的提高。因此，工藝人員將其分為上下兩部分，單獨進行銑削。

（1）斜面部分的銑削 為提高銑削穩定性，減少刀具振顫造成的側面粗糙，采用φ44R2銑刀進行粗銑。該銑刀為鑲刀片式盤銑刀，中間芯部不具備切削能力，必須從零件外部進入。按照刀具使用規范，工藝人員采取螺旋進刀方式，設定起始安全高度為1mm，單層切削深度5mm，然而進刀螺旋時間占網格銑削時間的40%，嚴重影響網格切削效率。

為解決這一問題，工藝人員將分層界面進行調整，將原斜面部分切削深度由40mm調整至30mm，進而將中心位置螺旋進刀改為斜面外部指定點進刀（見圖3），既避免了程序進刀時直接切削，又縮短了進刀路徑長度。斜面部分剩余的10mm高度采用與底面型腔部分相同的加工方式，連續切削。

圖3 斜面粗加工刀具路徑示意

（2）型腔部分的銑削 網格型腔部分采用傳統“型腔銑”方式，由網格中心處進刀，沿外形輪廓逐層向外切削，直至型腔底面。然而，精銑時工藝人員發現型腔側壁拐角處存在明顯振紋，不符合工藝文件要求，如圖4a所示。

圖4 拐角處切削過程示意

分析認為，網格型腔高速切削時，在拐角處銑刀運動速度及方向發生改變，由于機床慣性影響造成刀具振顫，穩定性降低，影響切削表面質量，且該位置存在輕微過切現象。此外，拐角處切削時銑刀約1/4區域同時進行作業，銑刀與工件接觸方式由線接觸改為面接觸，導致瞬時切削阻力驟增，進一步增大該處表面粗糙度值，切削過程如圖4b所示。因此，根據網格特點，定制φ28R5非標銑刀，網格拐角處R1mm圓滑過渡，平衡切削阻力，提高表面切削質量。

網格型腔由螺旋進刀改為指定點直接進刀方式，有效避免了機床小范圍內頻繁“抖動”問題，提高切削參數，進一步提升切削效率，單網格銑削時間由195.3min縮短至157.5min，效率提升19.3%，效果詳見表1。

5. 時效去應力

該產品加工過程中受切削力影響，導致大量殘余應力累積，若不進行時效去應力，產品精加工時應力釋放，導致側壁變形加劇，極易造成超差。由于該產品外徑規格大，型腔截面規則，若采取傳統熱時效去應力工藝，不僅產品運輸困難、設備造價高以及能源消耗大，而且熱時效周期長，導致產品變形較大，不利于后續加工的開展。振動時效技術屬于新型高效去應力工藝，具有自動化程度高、工藝簡便、設備輕便以及不受產品規格限制等優點，特別適用于大型薄壁鍛鑄件去應力時效。

振動時效（Vibratory Stress Relief，簡稱VSR）又稱振動消除應力，源于通過錘擊消除金屬零件殘余應力的工程實踐，旨在通過控制激振器的激振頻率對零件施以交變循環載荷，使其發生共振或亞共振，產生適當的交變運動并吸收外部能量，以致內部組織發生微觀粘彈塑性力學變化，從而使零件內殘余應力得到降低或均化，提高尺寸精度穩定性。

6. 結語

表1 型腔網格銑削效果對比

采取上述工藝方案，有效解決了大直徑薄壁深腔類框環零件加工難題，保證了產品切削質量，產品各項指標均滿足設計要求；提高了加工效率，網格銑削周期縮短約20%，保障了型號研制進度。