金屬隔膜貯箱薄壁異型支撐環車削技術

張勇 武曉平

摘 要：金屬隔膜貯箱用鈦制支撐環是防止膜片反向失穩的關鍵部件，其機械結構特點為薄壁和異型。該零件傳統的加工方法中涉及數控車削和鏜孔等多個工種。本文利用車銑復合加工中心，通過調整工藝順序、制作專用刀具、發揮編程技巧，將原本復雜的多個工序綜合為一道車銑復合，大幅縮短了加工周期，提高了零件質量。

關鍵詞：支撐環 薄壁零件 精密切削 刀具及切削參數 0.8±0.05mm壁厚

一、概述

該零件為某型號金屬隔膜貯箱所用支撐環，結構示意圖如圖1所示。該零件壁薄且異型，主體壁厚尺寸為0.8±0.05mm，共分布有360個“減重孔”和“通氣孔”。

采用車銑復合中心加工該零件實現了一次裝夾下完成數控車削和鏜孔，大幅提高了生產效率和加工精度;同時，將原本的先車“內”→后車“外”的加工順序調整為先車“外”→后車“內”，無需使用球頭工裝支撐工件，大幅降低了工裝制作的成本。經過改進后的加工工藝流程如圖2所示。

車銑復合加工中心的合理利用，可以將原本復雜的多個車、鏜工序合并為一，同類零件的加工中均可推廣使用，大幅提高了生產效率和加工精度。

二、加工難點分析

（1）該零件材料為鈦合金（TC4），主要加工特性為變形系數小;熱導率低;化學活性高;切削溫度高;冷硬現象嚴重、單位面積上的切削力較大;刀具易磨損等。

（2）該零件壁厚一致性要求高，設計值為0.8±0.05mm;若采用先車“外”、后車“內”的工藝順序，薄壁的加工過程內表面無球頭支撐，需選擇盡量小的切削用量，減小單位面積的接觸力和變形應力。

（3）支撐環主體除了0.8mm厚的薄殼結構，還分布有1mm厚的加強筋及3mm寬的環槽，三種結構的加工均需要設計專門的車削刀具。

（4）車銑復合加工中心上一次裝夾完成車削和鏜孔，其中鏜孔包括端面72-Φ3mm的“通氣孔”和288-Φ4mm“減重孔”，均需調用動力頭裝置采用模態循環鉆孔的方法實現。

三、解決方案

3.1切削參數

針對鈦合金（TC4）的加工特性，通過查閱相關鈦合金的切削參數，再通過試切削來確定該零件的加工參數。該參數可以保證零件車削加工，對于同類材料零件加工提供了借鑒經驗。

確定從以下5個方面進行切削參數選擇，a使用較低的切削速度;b選擇相對較大的切削深度;c選用合適的刀具;d加工中避免暫停和加工行進方向的突變;e保證工件充分冷卻。

3.2零件加工

3.2.1內弧面的加工

該零件內、外弧面的加工，都不能采用傳統的規則薄壁球類殼體加工方案。內弧面的加工設計要求支撐環大口端R7mm翻邊同心與內弧面曲線軸向同心，如果二者存在偏心，會直接影響支撐環與金屬隔膜的裝配，導致產品尺寸不合格。為此，內弧面與過渡圓滑R7的加工在一次加工中完成，保證同心。

3.2.2外弧面的加工

外弧面的加工過程中，為了降低U型槽的加工難度，采用了多工步、多刀具的加工方案。首先，將支撐環毛坯整體壁厚加工至一定尺寸，再對U型單獨進行車削，將外弧面整體分割為3個相對獨立的單元進行加工。

為保證加工質量，按照U型槽尺寸及形狀進行刃磨合理刀具，確定了合理精確刀具角度。在加工過程中首先使用粗車刀具完成U型槽粗加工工步，其次使用精車刀具車削U型槽剩余部分。

3.2.3環形槽加工

環形槽的加工分兩步走，第一步用手工刃磨刀具采用左右趕刀的方法粗車槽型;第二步用端面精車槽刀對3mm環形槽進行精車，保證其尺寸公差。

3.2.4“減重孔”和“通氣孔”的加工

車銑復合加工中心上一次裝夾完成“減重孔”和“通氣孔”的鏜孔加工，其中鏜孔包括端面72-Φ3mm的“通氣孔”和288-Φ4mm“減重孔”，均需調用動力頭裝置采用模態循環鉆孔的方法實現。

3.3刀具設計

3.3.1刀具材料的選擇

經過查閱相關資料并經過多次試驗后，發現使用YG643鎢鈷類硬質合金刀具，所加工出的零件表面粗糙度可以滿足設計要求，加工過程中刀具磨損很小，未出現粘接現象，經過使用大劑量的乳化液充分冷卻，完全可以滿足該類零件的加工要求。

3.3.2刀具幾何參數選擇

（1）前角和刃傾角：選擇較小的前角和刃傾角，為增加切削刃的強度，該零件的加工中我選取了前角為4゜～ 8゜，刃傾角為0゜～ -5゜。

（2）后角：為了減小刀具后刀面與過渡表面和已加工表面的接觸面積，選取了10゜～ 15゜較大的后角。

（3）主、副偏角：為改善加工超彈鈦的散熱條件，減小主切削刃上的載荷，按照加工所允許的最小條件，刃磨出了刀具的主、副偏角。

3.3.3刀具形狀的選擇

傳統的刀具無法滿足該零件的加工要求，根據零件結構特征，制作專用刀具來完成該零件的車削加工。

3.4程序編制

將原有手工編程改為運用NX10.0軟件編程，大幅度縮減編程輔助時間，更重要的是保證了程序的正確性和重復利用性。

3.5在線加工

3.5.1在機床內設定相關參數：I/O通道，波特率.奇偶校驗等。

3.5.2在電腦上的PCIN傳輸軟件中設定對應機床設置的參數，并應與其保持一致。

3.5.3將R-232電纜接好，選擇機床的遠程控制狀態，在PCIN軟件中載入加工程序，執行機床的循環啟動即可。

四、小結

運用本章所闡述的工藝方法可以保證零件尺寸滿足設計要求，加工工藝順序合理。所制作的專用自制刀具加工出的U型槽壁厚、3mm環形槽、加強筋以及與金屬膜配合的圓弧尺寸精度均合格，表面粗糙度滿足要求，于此同時減少了參與該零件加工的設備數量及操作人員，縮短了加工周期，大大降低了該異形支撐環的生產成本，起到了降本增效的作用，同時為該類型零件的加工奠定了堅實基礎。

參考文獻

[1]宋理敏，吳永鋼.薄壁零件的數控車削加工工藝研究.機床與液壓，2013，（7），69-70。

[2]陸劍中，周志明.《金屬切削原理與刀具》 北京：機械工業出版社，2007.

[3]司乃鈞，屈麗，張亮峰.《機械加工工藝基礎（第二版）》北京：高等教育出版社，2001.