大長徑比薄壁零件加工工藝研究

賀 超，周 寅，賀方鑫，呂亞橋，李建中

(北方導航控制技術股份有限公司，北京 100176)

機械加工中對薄壁零件的定義是指壁厚在1 mm以下的金屬材料零件，這類零件具有重量輕、結構緊湊且節省材料等優點，但在加工實現過程中卻異常棘手，原因是薄壁零件剛性差，強度弱，加工變形嚴重，幾何公差要求較高，對于批量大的生產大綱要求不易滿足，因此需要對零件結構、材料、裝夾方式、刀具及參數選擇、加工參數選擇、程序編制等方面有極深的理論研究和技能掌握，并且要經過反復試驗，方能解決。

機械加工中對軸類零件根據長徑比分為短軸、細長軸和普通軸，軸的長度與直徑相除得到的即是該軸的長徑比，長徑比<5的稱為短軸，長徑比>20的稱為細長軸，介于中間的稱為普通軸。細長軸的加工難點包括剛性差，受重力、高速旋轉產生的離心力、刀具車削力(背向力、切削力和進給力)、切削熱難散、膨脹度大的影響極易產生彎曲變形，造成徑向跳動大、波紋現象，甚至產生竹節現象，對機床設備系統、工裝夾具設計、刀具及參數選擇、加工工藝安排、加工參數選擇、熱處理有極高的專業知識和操作技能要求。

1 大長徑比薄壁零件

某型號關鍵零件(三維結構圖如圖1所示)屬于薄壁細長類零件，總長85.5 mm，細長軸端直徑φ6.5 mm，長徑比為13.15，該零件細長端壁厚0.5 mm。技術要求為表面粗糙度0.8 μm，內外孔同軸度要求0.02 mm(二維結構圖如圖2所示)。

圖1 零件三維圖

圖2 零件二維剖視圖

零件材質為鋁7A04，按GB/T 4437.1—2000標準定義，屬超硬鋁，系高強度合金，其特性為可熱處理強化，通常在淬火人工時效狀態下，強度比一般硬鋁高，但塑性較低，可切削性在熱處理后良好，退火狀態下較低。

2 工藝分析

結合材質和零件結構特點及技術要求，顯然該零件具有極易產生變形的特點。其加工難點有3點：一是壁薄，0.5 mm；二是較長軸，長徑比為13.15；三是光潔度高，表面粗糙度為0.8 μm。

經認真分析研判且結合實際試加工，最終確定該零件工藝路線為：1數車→2數車→3熱處理時效→4數車→5數車→6銑→7鉗→8數車→9刻線→10檢測及校正→11表面鍍金。其中，工序1、2和工序4、5為粗加工和半精加工去除材料余量，工序8為精加工成型，此道工序最為關鍵，為確保該零件加工質量和效率，自工序8開始，開展工藝攻關探索，工序10對最終仍存在同軸度超差的零件通過設計選擇檢測和校正工藝裝置予以解決[1]。

3 方案確定及實施

工序1、2為粗加工去量，加工時產生比較多的切削熱，為保證刀具的有效壽命，同時為提高單位時間去除材料的效率，使用水基微乳化液對零件加工過程進行冷卻降溫[2]。

工序3為消除內應力而采取熱處理時效環節，通過實際驗證，熱處理時效溫度范圍定在(150±5) ℃和時效時間4 h并隨爐冷卻，能夠基本消除切削加工造成的內應力[3]。確保了后續加工不產生較大變形。

工序4關鍵在解決鉆孔母線偏差，為后續鉸孔做好準備。通過分析計算，讓刀具廠商設計定制一把專用硬質合金深孔鏜刀和一把深孔鉸刀(見圖3)，通過實際加工驗證，解決了母線偏差，確保了本道工序的同軸度要求[4]。

圖3 定制鉸刀、刀盤及鏜刀

工序5關鍵在設計制作裝夾裝置，解決大長徑外圓加工變形。根據零件結構特點，專門設計制作2組鎖緊工裝(見圖4)，通過實際加工驗證，有效控制了長軸端加工變形[5]。

圖4 定制專用鎖緊工裝

工序6、7銑和鉗工序略過。

工序8最為關鍵。首先選擇一臺配備FANUC 0i-TD控制系統的小型排刀直導軌精密數控車床(見圖5)。該設備系統穩定，操作靈活便利，主軸帶空冷，受外界溫度影響較小，運動軸有預拉緊，重復定位精度達0.002 mm；精加工選用專門的金剛石刀具[6](見圖6)；數控加工程序如圖7所示，轉速半精車選取S=1 500 r/m，精加工S=1 200 r/m，進給量F=0.05 mm/r，吃刀量ap=0.1 mm[7]；同時因幾何公差較嚴格，為減少人為測量誤差，改進了測量方式，專門定制了專用測量裝置——專用偏擺測量儀(見圖8)。

圖5 配備FANUC 0i-TD控制系統的小型排刀直導軌精密數控車床

圖6 金剛石刀具

圖7 數控加工程序

圖8 專用偏擺測量儀

工序9，刻線略過。

工序10，檢測及校正。截止工序9之后，精加工φ6.5 mm時，為規避長徑比較大加工產生的撓曲變形，在加工程序中對背吃刀量采取分段“竹節”補償，確保實測結果細長軸外徑尺寸一致，避免形成“紡錘狀”[8]。

此時分別對幾批零件進行檢測匯總，記錄了測量數據(見表1)，經統計分析還有近24.29%同軸度超差。

表1 校正前零件同軸度測量數據統計

工序11，表面鍍金，之后入庫存儲待裝配。

零件進入總裝后在進行裝配前打擺差時，仍出現不同數量的同軸度超差，通過數據統計，一年來積攢下來的在入庫前經檢驗合格的不同批次零件仍有1 300多個同軸度出現超差。

4 問題分析

此時為提升質量合格率，減少經濟損失，筆者選取了6個同軸度不同超差尺寸零件按10個位置進行了三坐標實際測量，圖9所示為選取的遠端、近端、近遠端以及中端4個特征圓柱軸線實測位置及結果，6個工件的具體檢測記錄取值見表2。

圖9 三坐標實測過程圖

表2 同軸度偏移數據統計表

經對同軸度不同超差零件進行實際測量后，將上述測量數據進行統計分析，得出該零件在材料力學變形分析上呈現前段彎曲變形(見圖10)。

圖10 零件加工應力釋放導致變形示意圖

5 校正裝置設計思路[9]及制作

此時，常規機械加工方法無法進行改善，質量合格率進入瓶頸，通過結構特征分析，針對同軸度超差的零件，設計制作了一套同軸度校正工藝裝置(見圖11)。

圖11 校正裝置三維模型及實物

之后直接固定部分超差零件大端而加壓細長端進行校正，但未達到校正結果時，大小端連接處發生斷裂(見圖12)或出現微觀組織受損。

圖12 校正過度產生斷裂示意圖

通過分析其結構特點和實際試驗驗證發現，圖12中圈出的位置會產生極大應力集中，因此專門設計制作了根部支承保護環(見圖13)，通過克服細長端彈性變形達到一定塑性變形來校正其偏差，實現零件滿足質量要求，同時為保護細長端設計制作保護套(見圖14)。

圖13 根部支承保護環三維模型及實物

圖14 保護套三維模型及實物

6 理論分析

6.1 材料力學性能分析

材料在受到外力、內力、應力、應變、變形與位移后，會經歷3個階段：彈性階段、塑性階段、屈服階段。通過本校正裝置，可使該零件克服彈性階段達到一定的塑性階段，但不能達到屈服階段，造成零件材料組織斷裂?？紤]到用力大小會對零件變形產生不同結果，因此對零件校正進行理論力學分析，確定同軸度不同超差最終施加載荷大小[10]。

6.2 理論計算過程[11]

根據零件和壓桿的受力分布，可將零件的壓力情況分布簡化為如圖15所示。

圖15 零件受力力學示意圖

圖16 壓桿力學杠桿示意圖

通過理論計算求出不同超差值對應的校正力F1，進而按杠桿原理計算得出壓力載荷F。

通過施加外部載荷塑性彎曲實現校正共分4個階段：初始彎曲階段、彈性彎曲階段、塑性彎曲階段和卸載彎曲階段。零件結構分析圖如圖17所示。

(1)

圖17 零件結構分析圖

曲率計算公式為：

在外圈發生塑性變形、內圈發生塑性變形的情況下，其彎矩計算可得：

式中，δ(z)為彈性變形區域與整個變形區域的比值，即彈性比，0≤δ(z)≤1。

在彎管曲率最大處施加反向載荷，當彎管最外側處于屈服變形零界點時，應力應變符合胡克定律，即有：

塑性階段彎矩計算：

(2)

當管內無塑性變形時，d/D，彎矩與彈區比關系為[12]：

(3)

當管內表面出現塑性變形時，0≤δ(z)≤d/D，彎矩與彈區比關系為：

(4)

塑性彎矩和曲率之間的關系為[13]：

(5)

卸載后消失的彎矩為：

(6)

(7)

由式2和式7聯合得出：彈區比δ(z)=0.886 308，d/D≤δ(z)≤1，內表面無連續塑性變形，得z=2.880 501×10-3m。

按壓桿受力力學杠桿示意圖，杠桿原理：

為方便實際操作校正時進行力度掌控，每次將校正裝置放在電子秤上進行校正，工裝放置好后進行質量清零，然后進行施壓校正，此時秤上顯示質量值即為載荷大小。因此將校正力換算為質量。

同理可求得如下數據(見表3)。

6.3 實際操作驗證

該理論計算過程未考慮通過聚四氟乙烯保護套傳遞壓力一定會造成衰減等綜合因素，需要確定一個衰減補償系數λ。因此，通過用電子秤稱重實際操作試驗驗證，測試方式是對不同超差尺寸零件進行實際校正測試(校正后零件經檢測滿足技術要求，即判定為合格)。同軸度實測校正數據統計見表4。

表3 不同偏差理論計算校正力數據表

表4 同軸度實測校正數據統計

通過理論計算值進行壓力校正實測，6組數據均滿足該零件同軸度要求(≤0.02 mm)，校正后的同軸度平均偏差值為0.012～0.015 mm，考慮到材料組織結構的不均勻性、車削過程中產生的內應力各向異性以及手持位置的細微差異都會對實際力產生一定程度的影響，實際力與理論力相差不足實際力的0.1%，該理論數據完全滿足指導實踐的要求，可實現本研究方向目標。

7 實施效果

該產品年度生產大綱較大，以往的合格率為55%～60%，經過開展該零件加工工藝攻關研究，零件加工合格率提升到約為75%，通過校正裝置校正將質量合格率提升到99.5%，除去材料本身缺陷造成的不合格外，基本實現質量合格率100%。

按近幾年年度生產大綱為7 000件/年，零件財務核算平均費用175.85元/件核算，按以往最高合格率60%計算，7 000×(1-60%)×175.85=492 380(元)。該零件技術工藝攻關研究的節創價值已是非?？捎^。

在機械加工經檢驗合格后，最后還有一道表面鍍金處理，費用為130元/件，入庫存儲一段時期后，在實際裝配過程中發現同軸度還存在批量超差問題。截止發稿前通過自主設計的校正裝置及校正方法，已完成1 314件鍍金件的返修合格，僅此一項已為企業直接節創價值(175.85+130)×1314=401 886.9(元)，得到了企業的高度認可。

8 結語

大長徑比薄壁零件加工一直是機械加工行業難啃的一塊硬骨頭，也是機械加工從業者不愿直面的一道難題，此次加工工藝及校正方法的探索研究，讓我們積累了一定的加工經驗，加深了理論知識學習和掌握，培養了大國工匠科學認真嚴謹精神，提升了企業高精端加工能力，歸納總結該類零件的特色加工方法，拓展了企業產品設計領域，為企業打造高精尖產品、促進企業高質量發展做出了較大貢獻。