大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件的車削加工

師占根，龐學(xué)豐，胡曉光，師博文

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458

山東大學(xué) 山東濟(jì)南 250100

1 序言

宇航產(chǎn)品中大量采用大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件，此類產(chǎn)品存在零件尺寸大、壁薄、加工剛度差、易變形、裝夾困難及切削加工過(guò)程振動(dòng)等問(wèn)題，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量控制難度大、加工效率低[1]。

本文所述型號(hào)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：錐度大、錐面長(zhǎng)和壁薄等。受其自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制約，實(shí)際加工中存在以下幾方面加工難題：①裝夾困難，定位基準(zhǔn)、裝夾方式及裝夾位置的選擇嚴(yán)重影響零件的加工精度。②易變形，該支架為典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，加工中隨著材料的去除，內(nèi)應(yīng)力及熱應(yīng)力導(dǎo)致變形，且在加工過(guò)程中振刀嚴(yán)重。③加工過(guò)程中易產(chǎn)生雙曲線誤差，加工精度和效率難以保證。根據(jù)該結(jié)構(gòu)件的加工特性，通過(guò)設(shè)計(jì)專用內(nèi)外型定位工裝，改進(jìn)零件加工方法，優(yōu)化切削參數(shù)，有效突破中大型薄壁結(jié)構(gòu)件的加工瓶頸，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[2，3]。

2 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 尺寸參數(shù)

零件材料為鑄造鋁合金（Z L205－T6），工藝要求小端直徑（329±0.05）mm，大端直徑（813±0.05）mm，大薄壁傾角26°2′，壁厚（3±0.05）mm，整體高度（587±0.05）mm，B端面平面度0.1mm。零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

2.2 加工難點(diǎn)及解決方案

1）針對(duì)大錐角薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)專用內(nèi)形加工支架、外形加工內(nèi)錐胎（見圖2、圖3），有效增強(qiáng)產(chǎn)品加工過(guò)程中的剛度。采用該定位裝夾方案確保產(chǎn)品定位精度高、裝夾可靠且夾緊力導(dǎo)致的變形最小。

圖2 內(nèi)形加工支架

圖3 外形加工內(nèi)錐胎

2）針對(duì)產(chǎn)品應(yīng)力變形問(wèn)題，合理改進(jìn)加工工藝步驟，使加工中材料應(yīng)力充分釋放。優(yōu)化加工切削用量，降低切削力和切削溫度，控制產(chǎn)品變形，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

3）提高圓度變形控制、壁厚精度控制及尺寸測(cè)量精度等，從而提高產(chǎn)品加工精度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)定型批量化生產(chǎn)。

3 零件裝夾

3.1 專用支撐架配合軸向壓緊裝夾

為保證零件在加工過(guò)程中均勻受力，防止徑向變形，裝夾采用軸向壓緊方式。通過(guò)設(shè)計(jì)專用的支撐架配合頂蓋板、中心拉桿，實(shí)現(xiàn)Z軸定位及不完全定位。加工大端端面、芯腔內(nèi)錐度面。第一步加蓋板車削加工大端面，第二步采用三點(diǎn)定位法，內(nèi)形加工支架均布安裝3個(gè)壓板，Z軸壓住大端面B面，車削加工內(nèi)錐面C面。基準(zhǔn)面A面平面度必須達(dá)到產(chǎn)品平面度公差值的一半（0.05mm），進(jìn)而保證內(nèi)錐度面圓度要求（813±0.05）mm，壁厚公差要求±0.05mm，以及傾斜角度公差要求26.2°±2′。

該定位裝夾方案利用中大型薄壁產(chǎn)品設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為加工基準(zhǔn)，做到基準(zhǔn)統(tǒng)一，提高了加工基準(zhǔn)的可靠性和精度。有效解決了中大型薄壁類零件沒有可靠定位基準(zhǔn)、裝夾固定點(diǎn)的難題。專用支撐架配合軸向壓緊裝夾方式如圖4所示。

圖4 專用支撐架配合軸向壓緊裝夾

3.2 外錐面裝夾

零件內(nèi)錐面加工完成后產(chǎn)品的夾持剛度被嚴(yán)重削弱，加工外錐面D面裝夾時(shí)極易產(chǎn)生夾緊力變形，引起工件圓度過(guò)度變化以及加工振動(dòng)。為此，采用內(nèi)圓錐形心軸定位加Z向壓緊的方案，提高工件定位精度、夾持剛度，使工件圓度在裝夾狀態(tài)下保持0.03mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。該定位方法不僅增強(qiáng)了內(nèi)外錐面同軸度、產(chǎn)品剛度和切削過(guò)程的穩(wěn)定性，而且降低了車削過(guò)程中切削變形。切削熱傳遞快，降低了切削熱對(duì)產(chǎn)品尺寸及幾何精度的影響，大幅度提升了裝夾效率。外錐面裝夾方式如圖5所示。

圖5 外錐面裝夾

3.3 產(chǎn)品找正及測(cè)量

產(chǎn)品內(nèi)外錐面加工完成后，大端與工作臺(tái)貼合，以小端外徑為基準(zhǔn)打表，同軸度控制在φ0.03mm以內(nèi)，找正產(chǎn)品，同時(shí)檢查大端平面，平面度達(dá)到0.02mm以內(nèi)。采用三點(diǎn)壓緊的固定方法加工內(nèi)圓φ（329±0.05）mm配合面。由于產(chǎn)品大端環(huán)形平面B面最大直徑為950mm，產(chǎn)品高度達(dá)到587mm，環(huán)形平面B面寬度僅51mm，所以壓緊后B面平面度對(duì)所加工的圓度影響較大。大端B面平面度及小端圓度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 大端B面平面度及小端圓度變化趨勢(shì)

4 刀具選擇

產(chǎn)品材料為鑄造鋁合金ZL205－T6，該材料具有良好的抗疲勞強(qiáng)度、塑性和韌性，車削時(shí)，切屑和刀具表面摩擦力大，容易造成粘刀。此外由于零件加工直徑大、走刀時(shí)間長(zhǎng)及材料去除量大等特點(diǎn)，要求加工刀具必需能夠?qū)崿F(xiàn)較大切削深度，并具有較好的耐磨性，因此，精車時(shí)，選用KYOCERA品牌SDJER3232 DEG150404R車刀，較大刀尖圓弧半徑可增強(qiáng)刀具壽命。刀具型號(hào)及切削參數(shù)見表1。

表1 刀具型號(hào)及切削參數(shù)

5 加工方案

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料特性進(jìn)行分析，為有效控制加工過(guò)程中零件變形，制定加工方案：粗車→時(shí)效→半精車→時(shí)效→精車。通過(guò)安排兩次時(shí)效工序，使應(yīng)力得到充分釋放，材料組織內(nèi)應(yīng)力、加工應(yīng)力充分釋放。半精車完成后，在內(nèi)外徑向留余量0.75mm，高度方向留余量2mm。

精加工路線采用先內(nèi)后外加工、兩次加工基準(zhǔn)面B面的方案為：（利用支架為定位基準(zhǔn)）精車B面→精車C面（B面留余量0.3mm）→調(diào)頭（利用錐度芯胎為定位基準(zhǔn)）→精車D面、A面到圖樣要求尺寸精度→調(diào)頭→精車B面（提高定位基準(zhǔn)精度達(dá)到0.05mm以內(nèi)）→調(diào)頭加工小端內(nèi)圓φ（329±0.05）mm（B面為基準(zhǔn)）。

6 車削內(nèi)外錐面時(shí)產(chǎn)生雙曲線誤差分析

車削時(shí)產(chǎn)品圓錐面大小端直徑相差572mm，Z軸行程長(zhǎng)、圓錐面面積大。錐面產(chǎn)生雙曲線誤差非常嚴(yán)重。車刀刀尖偏移中心旋轉(zhuǎn)，使刀尖移動(dòng)的直線軌跡不與圓錐體的母線重合（見圖7），產(chǎn)生雙曲線誤差加工的內(nèi)外圓錐體是旋轉(zhuǎn)雙曲線曲面（見圖8）。產(chǎn)品的錐面直線度和錐度角要求非常高，為26.2°±2′，必須最大限度控制雙曲線的產(chǎn)生。兩平行曲面切割一個(gè)錐形曲面，相交形成雙曲線交線，公式為

式中，y是Z軸（長(zhǎng)度）方向值（mm）；x是X軸（直徑）方向值（mm）；a是產(chǎn)品錐度（°）；k是兩曲面之間的距離（刀尖與旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm）。

平行曲面之間垂直距離（其中一曲面通過(guò)回轉(zhuǎn)中心）產(chǎn)生的最大雙曲線誤差即為產(chǎn)品內(nèi)錐面直線度誤差，產(chǎn)品技術(shù)要求＜0.03mm。

通過(guò)計(jì)算加工該內(nèi)外錐面時(shí)Z軸行程、圓錐面面積，得出車刀刀尖必須與錐體旋轉(zhuǎn)中心等高，刀尖移動(dòng)的直線軌跡必須與圓錐體的母線重合，刀尖高度和旋轉(zhuǎn)中心的誤差不能＞0.08mm。

精車錐體壁厚度2.96～3.05mm，符合公差要求，產(chǎn)品錐壁的上下位置處厚度差＜0.05mm。利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)?nèi)外圓φ（329±0.05）mm，圓度均＜0.08mm，錐面直線度均＜0.03mm，錐面角度測(cè)量值均在公差要求±2′之內(nèi)，錐面雙曲線誤差得到有效控制。

圖7 刀尖移動(dòng)的直線軌跡不與圓錐體的母線重合

圖8 旋轉(zhuǎn)雙曲線曲面

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件的車削工裝、創(chuàng)新加工方案及調(diào)整切削參數(shù)，完成了多型號(hào)薄壁錐殼體的加工，加工精度穩(wěn)定，完全滿足設(shè)計(jì)需求，節(jié)省了大量制造成本，縮短了生產(chǎn)周期，并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)工藝定型。