大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件加工工藝研究

楊 洋，張海洋，戰(zhàn)祥鑫，焉 嵩，賈浩洲

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

0 引言

大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件是艙體中的重要組成部分,是艙體中許多儀器的支撐部件,它對(duì)相關(guān)儀器能否安全可靠地工作有著重要的影響。該類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直徑較大、壁厚較薄，且為了達(dá)到減重的目的會(huì)在側(cè)壁開有多處減輕孔，因此其結(jié)構(gòu)剛性較弱，加工時(shí)極易產(chǎn)生變形和振刀現(xiàn)象，進(jìn)而影響產(chǎn)品的尺寸精度和加工表面質(zhì)量。因此對(duì)其加工工藝進(jìn)行分析研究并提出有效可行的控制措施就變得十分重要。本文以艙體中較為典型的支架類零件貯箱支架作為研究對(duì)象，在工藝路線的安排、加工余量的劃分以及工裝胎具的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了加工工藝研究，保證了產(chǎn)品的加工精度和加工表面質(zhì)量，為大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件的加工提供了行之有效的加工工藝。

1 產(chǎn)品分析

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

貯箱支架是大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件的典型代表，產(chǎn)品外圓直徑為Φ684 mm，高為300 mm,采用2A14的鋁合金材料鍛造，且壁厚較薄，僅為6 mm，側(cè)壁上開有12處減輕孔以達(dá)到減重的目的。貯箱支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 加工難點(diǎn)

1.2.1 產(chǎn)品易變形

大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件多采用鋁鍛件整體機(jī)加而成，鍛件毛坯與成品零件的重量比一般可達(dá)4倍～10倍以上。在加工過程中，由于從毛坯到成品有較大的加工余量，因而會(huì)產(chǎn)生較大的切削力。隨著余量的去除，切削加工中的殘余應(yīng)力同時(shí)也得到釋放，當(dāng)零件殘余應(yīng)力峰值高于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)變形。因此，零件的外形就會(huì)由于應(yīng)力釋放逐漸由圓形變成橢圓，不但造成零件圓度超差，還會(huì)在后續(xù)加工過程中造成壁厚尺寸薄厚不均的問題(如圖2所示)，最終導(dǎo)致形位公差和壁厚尺寸精度無法滿足設(shè)計(jì)需求。

圖1貯箱支架圖2支架變形情況

1.2.2 加工過程中易產(chǎn)生振刀

貯箱支架外圓直徑為Φ684 mm，高為300 mm,中空且壁厚僅為6 mm，零件的結(jié)構(gòu)剛性本就較弱，然而為了達(dá)到減重的目的，還在側(cè)壁上開有12處減輕孔，這些開孔破壞了側(cè)壁原有的封閉結(jié)構(gòu)，打破了材料的內(nèi)在連續(xù)性，進(jìn)一步削弱了零件的結(jié)構(gòu)剛性。

在加工過程中，由于薄壁支架類零件的弱剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在切削力的作用下支架的側(cè)壁由于剛度不足而產(chǎn)生了嚴(yán)重的振顫，致使切削刀具在零件的加工表面留有明顯的振紋(如圖3所示)。這種嚴(yán)重的振刀現(xiàn)象極大地影響了產(chǎn)品的表面粗糙度，導(dǎo)致零件的加工表面質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，由于走刀過程中零件的振顫現(xiàn)象明顯，使得加工過程中刀具的進(jìn)給量和主軸的轉(zhuǎn)速都必須控制在一個(gè)較低的范圍，因此嚴(yán)重降低了產(chǎn)品的加工效率。

2 解決措施

2.1 改進(jìn)加工工藝流程以減小零件變形

零件內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力情況是零件變形的主要原因，而切削過程中的切削熱和切削力是導(dǎo)致零件殘余應(yīng)力的重要因素，合理控制切削熱和切削力的產(chǎn)生對(duì)控制零件變形有著重要的作用。因此在制定加工工藝流程時(shí)，采用劃分加工階段、合理分配加工余量、適當(dāng)安排熱處理工序位置等工藝措施，提早釋放應(yīng)力，預(yù)防可能會(huì)出現(xiàn)的變形。

圖3 振刀現(xiàn)象

為了避免精加工時(shí)去除較大的余量所產(chǎn)生的切削熱和切削力所造成的殘余應(yīng)力變形，盡可能地在粗加工時(shí)去除更多的余量，使零件早一些釋放應(yīng)力，早一些產(chǎn)生變形，以便在后續(xù)加工中進(jìn)行控制。因此零件加工工藝流程(如圖4所示)采用了在粗加工后增加半精加工工序的方法，將粗加工工序時(shí)預(yù)留的5 mm余量,在半精加工工序時(shí)再去掉3 mm，最終僅留2 mm余量待精加工時(shí)去除，盡可能使精加工工序的加工余量減小且保證余量均勻，有效地控制了精加工工序中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。同時(shí)考慮到大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件側(cè)壁開有的多處減輕孔對(duì)零件的變形影響很大，因此采用在半精加工工序時(shí)預(yù)先開孔的方法，在精加工前，預(yù)先打破材料的內(nèi)在連續(xù)性，使零件提早釋放應(yīng)力，預(yù)防最終階段可能由于應(yīng)力釋放不均而出現(xiàn)的變形。

圖4 貯箱支架加工工藝流程

此外由于在粗加工和半精加工階段需要去除大部分金屬余量，因而產(chǎn)生的加工應(yīng)力比較大，為了消除加工應(yīng)力引起的變形，在粗加工后半精加工以前以及半精加工后精加工以前，安排兩次消除應(yīng)力的自然時(shí)效工序，使大部分零件內(nèi)的加工殘余應(yīng)力得到釋放，為最終精加工控制變形提供保障。

2.2 設(shè)計(jì)專用工裝防止振刀

在精加工過程中，由于大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件的弱剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在切削力的作用下支架的側(cè)壁由于剛度不足而產(chǎn)生了嚴(yán)重的振刀現(xiàn)象，致使切削刀具在零件的加工表面留有明顯的振紋。因此需要在精加工時(shí)，設(shè)計(jì)合理的加工工裝來增加零件的剛性，減小切削振動(dòng)，提高產(chǎn)品的加工精度、加工表面質(zhì)量和加工效率。

圖5 工裝設(shè)計(jì)尺寸及安裝示意圖

在大型薄壁支架類產(chǎn)品的精加工中使用該工裝胎具，利用不銹鋼工裝胎具自身的剛性和對(duì)產(chǎn)品的箍緊力就可以有效地提升產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛性，在精加工過程中使零件的振動(dòng)減小，走刀量明顯加快，生產(chǎn)效率及表面質(zhì)量得到有效提升。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件(貯箱支架)的加工工藝進(jìn)行了實(shí)例分析與研究，提出了更為優(yōu)化的加工工藝流程，提早釋放了應(yīng)力，有效地控制了精加工中產(chǎn)生的變形。同時(shí)通過設(shè)計(jì)專用的工裝胎具，增強(qiáng)了產(chǎn)品的剛性，有效地避免了振刀現(xiàn)象，在一定程度上解決了大型回轉(zhuǎn)體薄壁支架類零件的加工難題，保證了該類產(chǎn)品的加工質(zhì)量和尺寸精度，降低了廢品率，有效地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。