一種細長薄壁筒形零件的加工方法

李艷梅 周 海

(中國航天四院三江集團紅陽機械廠，湖北孝感 432100)

本產(chǎn)品是我廠為某廠配套生產(chǎn)的一種水下作業(yè)產(chǎn)品。該產(chǎn)品頭部小，呈半圓形，以避免航行時阻力太大，尾部呈圓柱狀。我廠在前期已為該廠配套加工過另一種型號產(chǎn)品，原產(chǎn)品為分段加工后經(jīng)焊接而成，機械加工較簡單，重點在于保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，滿足水下作業(yè)技術(shù)要求。新型號的產(chǎn)品為整體機械加工，這就極大地增加了機械加工的難度，必須做好充分的工藝準備，以滿足產(chǎn)品的加工要求。

1 圖樣分析

圖1所示為工件外形圖，其加工內(nèi)容并不復(fù)雜，關(guān)鍵在于解決加工時的變形和振動。

主要技術(shù)要求如下:

(2)殼體外形由線型參數(shù)坐標擬合成曲線所得，各點參數(shù)坐標如表1;

(3)殼體內(nèi)曲線按線型參數(shù)表數(shù)據(jù)擬合曲線對應(yīng)法向偏移獲得，保證殼體厚度5.5±0.5 mm;

(4)有8處10 mm×10 mm的加強筋，由殼體內(nèi)壁法向偏移所得，加強筋與殼體內(nèi)壁間連接圓角R3～6 mm，間距100 mm;

(5)小端有M145×2－7H內(nèi)螺紋。

2 工藝分析

(1)殼體材料為5A06的模鍛件，具有較高的強度和腐蝕穩(wěn)定性，切削性能良好，可用于焊接容器、受力零件。

表1 殼體線型參數(shù)坐標 mm

(2)殼體的長徑比較大，壁薄，因此剛性較差，裝夾時容易變形，不易保證加工精度。

(3)車削時產(chǎn)生的徑向切削力，會使殼體彎曲，從而引起振動，影響加工精度和表面粗糙度。

(4)由于殼體自重、變形和振動，影響工件圓柱度和表面粗糙度。

(5)殼體高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下，彎曲變形會更大。

(6)小端孔的內(nèi)部空間狹小，切屑不易排出，容易堵塞，極易拉傷內(nèi)孔表面。

(7)車刀在孔內(nèi)切削時加工情況不易觀察，尤其是車至小端內(nèi)孔時無法看清內(nèi)部切削情況。因此，加工過程很難控制。

(8)在切削過程中，殼體由于溫度升高會產(chǎn)生熱伸長。

(9)切削液不易注入到切削區(qū)，刀具和工件不能及時被冷卻，切削溫度高，刀具容易磨損。

(10)車孔刀的制作受小端內(nèi)孔尺寸的限制，剛性較差，加工出來的孔容易產(chǎn)生形狀誤差。

(11)內(nèi)外形均為圓弧曲線，不易檢測。

3 工藝準備

3.1 選擇加工設(shè)備

殼體小端孔口小，內(nèi)型面與孔口直徑相差大，車刀無法從小端進入，不能從兩端分別進行加工，只能從大端一次車削完成?？紤]車削內(nèi)孔需退刀，因此，機床行程需不小于(工件車削長度×2)的行程。目前，滿足此要求的機床為德州數(shù)控車床CK61100D，該設(shè)備床身最大回轉(zhuǎn)直徑為φ1 000mm，導(dǎo)軌長度為3 000mm，尾座長度1 200mm，加工時需將尾座拆除，更換刀座法蘭盤以安裝加長刀桿。

3.2 設(shè)計、制作加長刀桿

殼體內(nèi)型面為零件的加工難點，其加工刀具是保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵。該機床配備的刀桿長度只有800mm，無法滿足內(nèi)型圓弧的加工，需設(shè)計、制作加長刀桿。為提高刀桿的剛性，選用Q235鋼管作為刀桿材料，且需盡量增加車孔刀桿的截面積，將刀桿設(shè)計成變徑刀桿，刀桿直徑為φ130mm，其中將刀桿與刀座法蘭盤內(nèi)孔連接處的直徑變?yōu)棣?20mm，安裝車刀處的刀桿直徑變細為φ100mm，以滿足小端內(nèi)孔的加工，并在其端面開槽安裝刀體，刀體由固定螺釘固定在刀桿端面的方槽內(nèi)，加長刀桿外形如圖2。

安裝刀桿時，應(yīng)保證刀桿與殼體軸線基本平行，以防車削到一定深度后刀桿與孔壁相碰。

3.3 設(shè)計專用車刀

因小端內(nèi)型孔直徑過小，標準的刀體車削時會與孔壁相碰，需將刀體改短，以滿足小端內(nèi)孔的加工。

3.4 確定加工流程

根據(jù)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝分析，并結(jié)合考慮生產(chǎn)周期和進度要求，加工工藝需進行生產(chǎn)能力平衡，工序不能全部集中在德州數(shù)控機床上，工序需進行分流，為此確定以下加工工藝流程:

(2)在臥式數(shù)控車床CK61100D上平大端面，粗、精加工內(nèi)型面;

(3)在臥式數(shù)控車床上加工外型面至尺寸。

4 工藝控制措施

由于該零件細長、壁薄，剛性差，受力、受熱易變形，易產(chǎn)生振動，所以在加工中需防止或減小變形和振動。具體采取了以下措施:

(1)技術(shù)交底

工藝文件編制完成后，主管技術(shù)員專門組織相關(guān)的操作者、班長、主管調(diào)度員進行技術(shù)交底，分別從產(chǎn)品的加工工藝流程安排、加工設(shè)備的選擇、產(chǎn)品的裝夾方式、各工序間余量的分配、加工難點及控制措施、注意事項等方面進行了詳細介紹，并對加工過程中可能出現(xiàn)的問題進行了討論、分析，保證各工序間相互協(xié)調(diào)，提前做好加工準備工作。

(2)粗、精車分開

由于切削力、夾緊力和切削熱多方面的影響，會導(dǎo)致工件加工后產(chǎn)生變形，所以不宜在工件的一次裝夾中完成，而是應(yīng)粗、精車分開。因為粗車時加工余量大，切削力和對工件的夾緊力也大，同時切削熱也較多，所以要在粗車后將工件慢慢地松開，調(diào)整一下夾緊力，以避免粗車時的受力變形和受熱變形對精車的影響。在精車時，因為加工余量小，所以切削力不大，對工件的夾緊力也可以相對地小些，以減小工件的夾緊變形。

精車前要降低工件的溫度，待降到室溫后再進行切削。

內(nèi)圓弧采用3種進刀方式完成，加強筋及靠大端的8處型腔分別使用右刀、左刀采取由中央向兩側(cè)加強筋分別加工的方式，以保證內(nèi)圓弧及每間隔100mm加強筋的形狀尺寸。加強筋左側(cè)面至小端內(nèi)端面之間的型腔則用改制短車刀反向進給完成。

(3)提高系統(tǒng)剛性

因為工件大小端直徑差距大，懸壁長，工件剛性差，為此在距大端第3環(huán)形筋處用中心架支承，工件支承點的距離雖然只減少了1/3，但剛性卻增加了好幾倍。

制作了變徑刀桿，將安裝刀座處的刀桿直徑變細，以滿足小端內(nèi)孔的加工;同時采用可調(diào)節(jié)刀桿，在滿足小端孔深要求的前提下，使刀桿的長度盡可能短。

(4)采用合理的工件裝夾方式

加工內(nèi)型時，小端制作工藝凸臺，用軟爪卡盤夾小端外圓，并用壓板軸向夾緊工藝凸臺，通過改變夾緊力的方向來減小夾緊變形。大端因懸管長，工件在自重的作用下會下垂，內(nèi)型一次車削進給時間較長，車削熱量大部分傳給工件，使工件溫度升高，產(chǎn)生軸向伸長變形，溫度愈高，伸長量愈大，因此在大端輔以中心架(見圖3)，對工件上、下、左、右的移動進行限制，使其只能繞軸線旋轉(zhuǎn)，有效地減小切削振動和工件的彎曲變形，從而提高工件的加工精度。

加工外型時，兩端制作相應(yīng)的工藝堵頭，一夾一頂，既能保證內(nèi)外型同軸度，又能較好地保證工件的加工質(zhì)量和精度。

(5)合理地選擇刀具及切削參數(shù)

針對零件的材料特性及加工要求，加工刀具刃口須鋒利，不能使用鈍刀車削，內(nèi)外形加工時均選用山特維克刀體，內(nèi)形加工時選用山特維克刀片，外形加工時選用瓦爾特刀片。

在切削用量的3個要素中，背吃刀量對切削力的影響最大，過大的背吃刀量會使切削力增大，從而導(dǎo)致工件變形。高轉(zhuǎn)速切削會引起工件振動，加工中通過增加走刀次數(shù)來防止工件變形。

在試切削過程中，通過調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進給量倍率，觀察參數(shù)變化后的切削情況，如果沒有明顯的振動噪聲及振紋，且能夠保證工件表面粗糙度，就將切削三要素的數(shù)值提高一些，這樣可在確保質(zhì)量的前提下，有效提高加工效率。如果出現(xiàn)振動噪聲或較明顯的振紋，應(yīng)首先減小吃刀深度及進給量，以確保工件表面粗糙度。通過反復(fù)試切，確定切削參數(shù)如表2。

通過合理選用切削參數(shù)，能減小切削力，從而減小變形，平衡加工質(zhì)量和加工效率。

(6)使用切削液

加工至小端時，因孔深切屑容易堵塞，使用切削液能將切屑迅速沖走，對提高刀具壽命和保證加工質(zhì)量都有好處。切削液選用鋁合金冷卻液波爾820。

車削時，中心架卡爪與工件接觸處每隔10～20min加機油潤滑，以減少卡爪與工件的摩擦熱。

表2 切削刀具及切削參數(shù)表

表3 42F203－1后艙大段壁厚尺寸8檢測記錄表 mm

(7)及時排屑

由于該工件孔的加工深度深，半精車、精車時產(chǎn)生的鋁屑容易造成內(nèi)孔表面劃傷，甚至損壞刀尖，因此在精車、半精車每一刀完成后均設(shè)置暫停，以便及時清理切屑。

(8)記錄檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，殼體在焊接前外形需留加工余量，焊接后再加工至尺寸，保證殼體壁厚5.5±0.5 mm。根據(jù)焊接狀態(tài)，殼體加工時外形留2.5 mm。因型面為圓弧曲線，難于檢測，為此制作檢驗樣板檢測外圓弧，樣板用三坐標檢測，樣板與工件間隙不大于0.35 mm為合格。壁厚用測厚儀檢測，以殼體大端為基準，每2處加強筋中間部位周向均分測量4點。目前，已加工2件制品，檢測數(shù)據(jù)如表3。

從表3檢測數(shù)據(jù)可以看出，1#的壁厚尺寸8在8.15 mm～8.40 mm之間。經(jīng)過分析檢測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整了2#的內(nèi)孔加工量，同時保證內(nèi)外圓的程序起刀點一致。經(jīng)改進后加工的2#的壁厚尺寸8在8.05 mm～8.32 mm之間，壁厚較均勻，能更好地滿足產(chǎn)品的焊后加工要求。

(9)直立放置加工后的工件

切不可將加工后的工件平放在平臺上。這是由于工件與平臺間為線接觸，任何一點外力作用時，工件在內(nèi)應(yīng)力的影響下都會產(chǎn)生變形，從而降低精度。其正確的放置方法為:將加工后的零件直立放置于平臺上，以增大它與平臺的接觸面積，從而減小變形。

5 結(jié)語

通過本次對艙體的試驗投產(chǎn)，摸索出了加工該類零件的加工方法，不僅滿足了生產(chǎn)需要，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，而且說明工廠具備較強外協(xié)產(chǎn)品配套加工能力，證明工廠精密機械加工具有較高工藝技術(shù)水平，也驗證了工廠軍工產(chǎn)品生產(chǎn)的競爭力。

［1］曾正明.實用工程材料技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［2］何建民.車工操作技術(shù)與竅門［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］邢鴻雁，陳榕林.機械制造難加工技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.