大直徑薄壁深腔類框環(huán)零件加工工藝

■ 天津航天長征火箭制造有限公司 （天津 300462） 張朋朋 梁津鶴 姚 輝 樊艷權(quán)

1. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)分析

某薄壁深腔框環(huán)類零件為新一代運(yùn)載火箭芯級(jí)核心承力結(jié)構(gòu)件，飛行過程中需承受多重載荷的考驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響整個(gè)飛行任務(wù)的成敗。該產(chǎn)品毛坯采用2219-T852鋁合金整體鍛環(huán)，外形規(guī)格為φ5 050×φ4 360×250mm，毛坯質(zhì)量約3 400kg。產(chǎn)品型腔截面為梯形“工”字結(jié)構(gòu)（見圖1a），型腔最大深度95mm，型腔網(wǎng)格間立筋寬度10mm，成品質(zhì)量僅480kg，機(jī)加工過程中材料去除率高達(dá)86%。

由于產(chǎn)品材料去除量大，異形截面型腔切削受力不均衡，機(jī)加工過程中切削應(yīng)力累積與釋放造成側(cè)壁變形較大，導(dǎo)致產(chǎn)品切削效率低、尺寸精度穩(wěn)定性差，制約型號(hào)研制進(jìn)度。

加工難點(diǎn)分析如下：

1）薄壁深腔。網(wǎng)格型腔最大深度為95m m，網(wǎng)格圓角R15mm，型腔特征要求網(wǎng)格精銑時(shí)銑刀最大直徑為30mm，最小長度為135mm（含40mm夾具高度），長徑比大于4∶1，屬于典型深腔加工。

2）產(chǎn)品變形大。網(wǎng)格型腔銑削過程中，網(wǎng)格間立筋（見圖1b）受單側(cè)切削力影響，易發(fā)生塑性變形，另一側(cè)銑削時(shí)導(dǎo)致立筋寬度變薄。

3）切削效率低。產(chǎn)品機(jī)加工過程中去除材料約2 900kg，其中70%以上材料去除由銑削完成，整個(gè)產(chǎn)品制造周期約2 000h，滯后于型號(hào)研制節(jié)點(diǎn)要求。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

2. 工藝方案

該產(chǎn)品機(jī)械加工過程中主要涉及車削和銑削兩種加工方式，材料去除量大且材料切削主要由銑削完成，若僅安排一次銑削工序，長周期加工必然導(dǎo)致變形增大，增加壁厚超差風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和現(xiàn)有能力，工藝人員安排進(jìn)行兩次銑削。為消除加工內(nèi)應(yīng)力、減小銑削變形，在銑削之前分別進(jìn)行時(shí)效去應(yīng)力，加強(qiáng)制造精度控制。此外，為消除時(shí)效引起的變形，在時(shí)效前后安排多次車削工序，并為銑削提供找正基準(zhǔn)。

3. 車削

該產(chǎn)品毛坯直徑約5 050mm，結(jié)合車間現(xiàn)有工藝裝備，選擇普通數(shù)控雙柱立式車床進(jìn)行車削。該機(jī)床工作臺(tái)直徑6 000mm，最大車削直徑6 300mm，滿足產(chǎn)品加工需求。

由于產(chǎn)品壁厚較薄，型腔截面不規(guī)則，為減少殘余應(yīng)力對(duì)于精度穩(wěn)定性的影響，產(chǎn)品粗車時(shí)需盡可能多地進(jìn)行材料去除工作。結(jié)合前期同類φ5 000mm框環(huán)零件變形情況，設(shè)定粗車后產(chǎn)品單邊余量8～10mm，便于后續(xù)時(shí)效過程應(yīng)力釋放造成的變形量去除。

產(chǎn)品半精車前需測量內(nèi)外圓柱面圓度和端面平面度，對(duì)產(chǎn)品振動(dòng)時(shí)效效果及殘余應(yīng)力釋放情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，設(shè)定半精車后產(chǎn)品余量一般為3～5mm，如圖2所示。在保證精車產(chǎn)品成形的前提下，盡可能將材料去除量前移，減小切削應(yīng)力釋放造成的產(chǎn)品變形。

圖2 產(chǎn)品車削余量示意

4. 銑削

該產(chǎn)品型腔截面為梯形結(jié)構(gòu)，若采取傳統(tǒng)單層平面銑削方式，必然造成頂部斜面部分大量空行程，不利于生產(chǎn)效率的提高。因此，工藝人員將其分為上下兩部分，單獨(dú)進(jìn)行銑削。

（1）斜面部分的銑削 為提高銑削穩(wěn)定性，減少刀具振顫造成的側(cè)面粗糙，采用φ44R2銑刀進(jìn)行粗銑。該銑刀為鑲刀片式盤銑刀，中間芯部不具備切削能力，必須從零件外部進(jìn)入。按照刀具使用規(guī)范，工藝人員采取螺旋進(jìn)刀方式，設(shè)定起始安全高度為1mm，單層切削深度5mm，然而進(jìn)刀螺旋時(shí)間占網(wǎng)格銑削時(shí)間的40%，嚴(yán)重影響網(wǎng)格切削效率。

為解決這一問題，工藝人員將分層界面進(jìn)行調(diào)整，將原斜面部分切削深度由40mm調(diào)整至30mm，進(jìn)而將中心位置螺旋進(jìn)刀改為斜面外部指定點(diǎn)進(jìn)刀（見圖3），既避免了程序進(jìn)刀時(shí)直接切削，又縮短了進(jìn)刀路徑長度。斜面部分剩余的10mm高度采用與底面型腔部分相同的加工方式，連續(xù)切削。

圖3 斜面粗加工刀具路徑示意

（2）型腔部分的銑削 網(wǎng)格型腔部分采用傳統(tǒng)“型腔銑”方式，由網(wǎng)格中心處進(jìn)刀，沿外形輪廓逐層向外切削，直至型腔底面。然而，精銑時(shí)工藝人員發(fā)現(xiàn)型腔側(cè)壁拐角處存在明顯振紋，不符合工藝文件要求，如圖4a所示。

圖4 拐角處切削過程示意

分析認(rèn)為，網(wǎng)格型腔高速切削時(shí)，在拐角處銑刀運(yùn)動(dòng)速度及方向發(fā)生改變，由于機(jī)床慣性影響造成刀具振顫，穩(wěn)定性降低，影響切削表面質(zhì)量，且該位置存在輕微過切現(xiàn)象。此外，拐角處切削時(shí)銑刀約1/4區(qū)域同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，銑刀與工件接觸方式由線接觸改為面接觸，導(dǎo)致瞬時(shí)切削阻力驟增，進(jìn)一步增大該處表面粗糙度值，切削過程如圖4b所示。因此，根據(jù)網(wǎng)格特點(diǎn)，定制φ28R5非標(biāo)銑刀，網(wǎng)格拐角處R1mm圓滑過渡，平衡切削阻力，提高表面切削質(zhì)量。

網(wǎng)格型腔由螺旋進(jìn)刀改為指定點(diǎn)直接進(jìn)刀方式，有效避免了機(jī)床小范圍內(nèi)頻繁“抖動(dòng)”問題，提高切削參數(shù)，進(jìn)一步提升切削效率，單網(wǎng)格銑削時(shí)間由195.3min縮短至157.5min，效率提升19.3%，效果詳見表1。

5. 時(shí)效去應(yīng)力

該產(chǎn)品加工過程中受切削力影響，導(dǎo)致大量殘余應(yīng)力累積，若不進(jìn)行時(shí)效去應(yīng)力，產(chǎn)品精加工時(shí)應(yīng)力釋放，導(dǎo)致側(cè)壁變形加劇，極易造成超差。由于該產(chǎn)品外徑規(guī)格大，型腔截面規(guī)則，若采取傳統(tǒng)熱時(shí)效去應(yīng)力工藝，不僅產(chǎn)品運(yùn)輸困難、設(shè)備造價(jià)高以及能源消耗大，而且熱時(shí)效周期長，導(dǎo)致產(chǎn)品變形較大，不利于后續(xù)加工的開展。振動(dòng)時(shí)效技術(shù)屬于新型高效去應(yīng)力工藝，具有自動(dòng)化程度高、工藝簡便、設(shè)備輕便以及不受產(chǎn)品規(guī)格限制等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大型薄壁鍛鑄件去應(yīng)力時(shí)效。

振動(dòng)時(shí)效（Vibratory Stress Relief，簡稱VSR）又稱振動(dòng)消除應(yīng)力，源于通過錘擊消除金屬零件殘余應(yīng)力的工程實(shí)踐，旨在通過控制激振器的激振頻率對(duì)零件施以交變循環(huán)載荷，使其發(fā)生共振或亞共振，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕蛔冞\(yùn)動(dòng)并吸收外部能量，以致內(nèi)部組織發(fā)生微觀粘彈塑性力學(xué)變化，從而使零件內(nèi)殘余應(yīng)力得到降低或均化，提高尺寸精度穩(wěn)定性。

6. 結(jié)語

表1 型腔網(wǎng)格銑削效果對(duì)比

采取上述工藝方案，有效解決了大直徑薄壁深腔類框環(huán)零件加工難題，保證了產(chǎn)品切削質(zhì)量，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求；提高了加工效率，網(wǎng)格銑削周期縮短約20%，保障了型號(hào)研制進(jìn)度。