拉深薄壁件余量加工新工藝

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 馬振武

高速銑削加工是一種全新工藝，具有高效、高精度、高表面質(zhì)量的特點(diǎn)，高速銑削工藝因其突出優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。國(guó)外無(wú)論是在理論研究還是工藝推廣方面都比較成熟。國(guó)內(nèi)中物院孔金星等[1-8]研究了高速銑削參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，北理工、南京航空航天大學(xué)等高校在高速銑削機(jī)理和刀具的磨損機(jī)理、高速銑削數(shù)控系統(tǒng)等領(lǐng)域開(kāi)展研究并取得了一系列成果。國(guó)內(nèi)在航空薄壁件和薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的高速銑削方面非常成功。目前我國(guó)的高速銑削工藝還處于起步階段，需要向多領(lǐng)域推廣，把高速銑削的優(yōu)勢(shì)展示出來(lái)[1,4-6]。

彈殼屬于拉深薄壁件，理論上完全可以應(yīng)用高速銑削工藝對(duì)其余量進(jìn)行加工，但是在實(shí)例加工時(shí)遇到了裝夾的難題。冷凍液固液態(tài)可隨溫度轉(zhuǎn)化，覆蓋凝固時(shí)可無(wú)痕固定工件。半導(dǎo)體致冷器是一種特種冷源，根據(jù)工作電流的大小和方向就可以確定致冷器的制冷、加熱、恒溫狀態(tài)，加上特殊冷凍液，可組成自動(dòng)無(wú)痕裝夾系統(tǒng)。

本文從工藝篩選、工裝設(shè)計(jì)、理論計(jì)算到以某型彈殼余量加工為例的試驗(yàn)加工證明了新工藝的可行性。

1 工藝篩選

某型彈殼材料為H68，σ10≥40%，導(dǎo)電。生產(chǎn)中由于模具的幾何形狀及材料性能等因素的各向異性，經(jīng)過(guò)拉深工序后，拉深件的口部不齊且長(zhǎng)度不均。為了得到高質(zhì)量的彈殼需要對(duì)其余量進(jìn)行加工。

傳統(tǒng)加工工藝主要有：

（1）模具切邊工藝。

模具切邊工藝主要分為聚氨脂橡膠切邊模、浮動(dòng)式水平切邊模和內(nèi)漲式切邊模幾類(lèi)。本例彈殼尺寸小，余量去除量少，且底部存在一工藝凸緣，應(yīng)用模具切邊工藝有很大的局限性，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，加工結(jié)束后工件口部會(huì)出現(xiàn)毛刺，加工質(zhì)量差。模具切邊工藝不適合本例余量加工。

（2）車(chē)床精車(chē)工藝。

車(chē)床車(chē)邊工藝比較簡(jiǎn)單，精度也較高，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的夾套并用精密小車(chē)床進(jìn)行了試加工，效果不錯(cuò)，但是切屑進(jìn)入了薄壁件型腔，后續(xù)處理工藝?yán)щy，否則將影響彈藥發(fā)射質(zhì)量，因此該工藝不適合彈殼的余量加工。

（3）電火花線切割工藝。

線切割加工中工件基本不受力，加工精度也比較高，采用線切割機(jī)床對(duì)彈殼余量進(jìn)行了試切，試加工發(fā)現(xiàn)線切割加工速度很慢，加工結(jié)束后工件表面存在黑色附著物，表面質(zhì)量較差，不符合工藝要求。

2 新工藝的提出

為了解決傳統(tǒng)工藝的裝夾困難、加工質(zhì)量差、加工效率低的問(wèn)題，提出了一種基于冷凍原理的無(wú)痕自動(dòng)裝夾系統(tǒng)，如圖1所示，主要由高速銑刀、工件、箱體、自動(dòng)致冷器、工件夾體、隔熱墊圈、特殊冷凍液、底臺(tái)組成。

（1）箱體采用鋁合金材質(zhì)，導(dǎo)熱性好，剛度偏小，能夠抵抗冷凍液在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的微量膨脹，箱體各接觸面平面度小于0.03mm，便于與致冷器粘結(jié)。在與致冷器粘結(jié)之外的表面涂上隔熱層，減少能量損耗。

圖1 裝夾系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the clamping system

（2）工裝夾體采用重量輕、剛度大的金屬?gòu)?fù)合材料制作，利用了該材料的耐腐蝕性、耐磨性、噪音低和減振性好等優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí)將待加工工件精確定位，避免了工件在冷凍液凝固之前產(chǎn)生的漂浮、傾斜等現(xiàn)象，保證加工精度。

（3）為減少能量損耗，箱體與基座連接處安裝隔熱墊圈。

（4）特殊冷凍液為含有速凍劑、防腐劑、增塑劑、強(qiáng)化劑的特殊溶液，目的在于提高冷凍速度，降低冷凍液脆性，提高工件的機(jī)械加工性能。高硬度石蠟同時(shí)滿足該工藝需求。

（5）自動(dòng)致冷器采用螺栓壓縮固定（圖2），安裝時(shí)首先將儲(chǔ)冷板、半導(dǎo)體組件、散熱板各安裝面均勻涂上厚度為0.03mm的導(dǎo)熱硅脂，然后將半導(dǎo)體組件的熱面和散熱板的安裝面、半導(dǎo)體組件的冷面和儲(chǔ)冷板的安裝面平行接觸，擠壓過(guò)量的導(dǎo)熱硅脂，確保各工作面接觸良好，再用螺栓將散熱板、半導(dǎo)體組件、儲(chǔ)冷板3者緊固。

（6）高速銑刀（圖3）設(shè)計(jì)為底部切斷刀片加四周碎屑刀齒組合形式，切斷刀片直徑比碎屑部分直徑大1mm左右。刀具在進(jìn)行切削時(shí)，切斷刀片預(yù)先在軸向切斷余量，然后由碎屑刀齒部分將分離余量部分切碎。

操作過(guò)程為：工件精確定位→冷凍液注入→致冷器凝固冷凍液→致冷器切換恒溫→高速銑削→致冷器切換加熱→融化→斷開(kāi)致冷器電源→冷凍液排出→取出工件→工件熱水浴。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 致冷器功率設(shè)計(jì)計(jì)算

技術(shù)要求：給定使用環(huán)境溫度Th=T1，被冷卻物體所達(dá)到的最低溫度Tc= T2，由熱能計(jì)算公式得：

圖2 自動(dòng)制冷器Fig.2 Automatical refrigerator

圖3 高速銑刀Fig.3 High speed milling cutter

式中：P理論為理論制冷功率 ；c為冷凍液比熱容；m為冷凍液質(zhì)量m=ρV，kg,其中，ρ為冷凍液密度，V為冷凍箱體積；dT為冷凍液溫度變化；t冷凍過(guò)程所需時(shí)間；

式中，α為熱損失系數(shù)。由公式（1）根據(jù)冷凍箱的尺寸可查得致冷器的功率，匹配相應(yīng)的致冷器件。

在箱體尺寸一定，致冷器功率一定的工況下可得：

由公式（2）可以得到下述結(jié)論：

（1）冷凍時(shí)間的長(zhǎng)短與損失功率的大小有關(guān)，熱損失系數(shù)越大所需冷凍時(shí)間越長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中采用導(dǎo)熱硅膠加速傳熱，絕熱墊圈減少熱量損失的方法來(lái)減小熱損失系數(shù)以縮短冷凍時(shí)間。

（2）冷凍時(shí)間的長(zhǎng)短與冷凍液的密度、比熱容大小有關(guān)。本設(shè)計(jì)中冷凍液為含有速凍劑、防腐劑、增塑劑、強(qiáng)化劑的水質(zhì)溶液，縮短了冷凍時(shí)間。

3.2 裝夾性能分析

如圖4所示，有銑削力Fa，冷凍液與各面結(jié)合力Fb，夾體裝夾力Fc，重力G，工件內(nèi)外擠壓力Fd、Ff，根據(jù)靜力學(xué)原理，物體處于平衡狀態(tài)時(shí)作用在物體上的力對(duì)任意軸取矩的代數(shù)和為0[9]。Z軸垂直平面內(nèi)建如圖4所示坐標(biāo)系，則：

銑削合力Fa與X、Y軸相交，則：

因此, 由∑Mz= 0對(duì)Z軸取矩得：

Fb Lb+Fc Lc+GLG+Fd Ld+Ff Lf-Fa La= 0，

式中，La為銑削力Fa與Z軸的距離，Lb為冷凍液結(jié)合力Fb與Z軸的距離，Lc為夾體裝夾力Fc與Z軸的距離，LG為重力G與Z軸距離，工件內(nèi)外擠壓力Fd、Ff與Z軸的距離為L(zhǎng)d、Lf。且Fd、Ff大小相等方向相反，則：

Fa La=Fb Lb+Fc Lc+GLG。

加工過(guò)程中，工件同時(shí)受到拉應(yīng)力跟剪應(yīng)力的作用（設(shè)固態(tài)冷凍液抗拉、抗剪結(jié)合系數(shù)分別為λ和μ）。由在相同的條件下抗拉結(jié)合力大于抗剪結(jié)合力[10]，有：

Fa La≤μA+Fc Lc+GLG，

式中：A為工件面積。據(jù)此可把銑削力控制在一定范圍內(nèi)，不致破壞冷凍液損傷工件，保證足夠的加工精度。

圖4 工件受力圖Fig.4 Force diagram of workpiece

4 高速銑削理論

4.1 銑刀參數(shù)對(duì)銑削力的影響

由金屬切削理論可知，立銑時(shí)，銑削寬度：bD=ap，銑削厚度：hD=fzcosθ。

式中：aP為切削深度mm；fz為每齒進(jìn)給量，mm/z；θ為刀具切削刃位置角。

銑削合力為

主切削刃法向剖面力：Fn=Fasin（β-λ0）；Ft=Fa·cos(β-λ0)

Fn，F(xiàn)t轉(zhuǎn)化為刀具x，y，z3 方向的銑削力：

式中：τ為剪切面上的剪應(yīng)力；β為前刀面與切屑間的摩擦角；λ0為刀具前角；φ為刀具剪切角；λs為刀具主切削刃傾角。

由式（4）知：

（1）銑削力大小與銑刀刀齒所在位置有關(guān)，銑刀參數(shù)對(duì)銑削力影響很大。

（2）可根據(jù)生產(chǎn)的批量和質(zhì)量選取最佳銑刀參數(shù)甚至特制銑刀。

本例為切削材料短和余量小的薄壁件，使用了密齒面銑刀，銑削平穩(wěn)。

4.2 銑削速度對(duì)銑削力的影響

真實(shí)切應(yīng)力τ與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系為：τ=τsεn[6]，其中τs為材料的剪切屈服強(qiáng)度，n為材料的強(qiáng)化系數(shù)。

代入公式（3）得：

公式（5）可知銑削合力 與工件的材料屬性、銑床銑削用量、銑刀參數(shù)相關(guān)。

由金屬切削原理，

μ = εn(cotφ+tan(φ+β-γ0))=aBk+b，可以得到：

式中，a、b為與工件、刀具材料相關(guān)的參數(shù)，Bk為金屬切削變形系數(shù)。

切削變形系數(shù)Bk是大于1的數(shù)，當(dāng)切削速度大于工件材料的V0后，隨著切削速度的增大Bk會(huì)逐漸減小直至接近常數(shù)B0[8]。由公式（6）可知在fz和ap確定后，在一定范圍內(nèi)選取較高的銑削速度，可以減小Ft，減小工件變形和工件夾持力，降低表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。

在一定范圍內(nèi)，工件夾持力隨致冷器制冷溫度的降低而增大，銑削用量的選取需考慮工裝的夾持性能。銑削用量選取不當(dāng)，銑削力過(guò)大，會(huì)致使夾持失敗。因此，要使各向切削力最小，必須提高切削速度，選用高速銑削工藝。

5 應(yīng)用實(shí)例

薄壁件剛度低，如果固持不當(dāng)，易造成裝夾變形。由于現(xiàn)有工藝的局限性, 只能通過(guò)犧牲加工效率來(lái)得到滿意的加工質(zhì)量。利用新的固持方法結(jié)合高速銑削工藝,解決了這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了薄壁件余量的高效高質(zhì)加工。

本例設(shè)計(jì)裝夾系統(tǒng)箱體尺寸1000×1000×50，箱體四側(cè)串聯(lián)28個(gè)TEC1-12712（最大電流12.0A ；最大溫差67℃；最大電壓15.4V；最大功率100W；尺寸50.0mm× 50.0mm×3.8mm）制冷組件，控制和供電系統(tǒng)選用天津精易工貿(mào)生產(chǎn)的控制電源。設(shè)計(jì)數(shù)量為10000件。

高速銑削參數(shù)選用：n=22000r/min，ap=1.6mm，ae=0.5mm，fz=0.5mm/齒。T1=17℃、T2=-15℃，密排100個(gè)彈殼，試加工時(shí)間（冷凍、加工、加熱）為33min。分析是對(duì)產(chǎn)品測(cè)量得L =14.01mm，圓柱度公差為0.050，表面粗糙度Ra為0.6μm，平端面t=19.8s/個(gè)，符合要求。

6 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)了一套無(wú)痕自動(dòng)裝夾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了薄壁工件的批量裝夾；從金屬切削理論角度分析了選用高速銑削工藝的必要性；介紹了彈殼余量加工工裝設(shè)計(jì)參數(shù)和銑削參數(shù)的選取，可為同類(lèi)工件加工提供借鑒；冷凍液濾去切屑可重復(fù)利用，加工成本低，對(duì)設(shè)備進(jìn)行少量改裝即可對(duì)同類(lèi)工件進(jìn)行加工，工藝適應(yīng)范圍廣。其不足之處有：工件的裝夾及定位靠手工操作，人為因素影響較大，裝夾自動(dòng)化方面需要深入研究;加工效率受環(huán)境溫度和工件尺寸影響，數(shù)值波動(dòng)較大;致冷器各級(jí)制冷參數(shù)與高速銑削參數(shù)互相制約，在裝夾系統(tǒng)與高速銑床配套方面需要深入研究。

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