大型薄壁筒類零件的加工工藝探索

韓棟 趙高峰

摘 要：由于薄壁筒類零件具有外形特殊、結(jié)構(gòu)精密、強(qiáng)度高、重量輕等質(zhì)量特點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)也存在著剛度不足、加工穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，如果在加工過程中對(duì)其所進(jìn)行的切削或夾緊等力度不當(dāng)，就會(huì)容易發(fā)生彎曲變形等現(xiàn)象，因此，大型薄壁筒類零件的加工具有較大的難度。本文就大型薄壁筒類零件的加工工藝進(jìn)行探索，希望可以為大型薄壁筒類零件的加工應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大型薄壁筒;零件加工;加工工藝

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0110-02

0引言

不同材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的薄壁筒類零件，其加工過程也有較大差別，所選用的設(shè)備、刀具、工裝以及加工參數(shù)、加工順序均有不同。本文主要針對(duì)一種外徑尺寸φ350mm、長(zhǎng)度2500mm的不銹鋼薄壁筒類零件的加工工藝進(jìn)行研究，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及配合精度要求，研究的內(nèi)容主要包括零件在深孔設(shè)備上的鉆、擴(kuò)孔，在大型數(shù)控車床上的車削、深孔鏜削等機(jī)械加工過程，重點(diǎn)研究機(jī)械加工過程中的振動(dòng)、變形等問題的防范和解決措施。

1飛機(jī)薄壁零件的工藝特點(diǎn)

總結(jié)起來，薄壁零件的制作加工主要有以下特點(diǎn)：第一，由于薄壁零件所存在的外觀多種多樣、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密、強(qiáng)度高、剛度不足等特點(diǎn)，在外力作用下容易發(fā)生變形，必須要采用有效的措施對(duì)其進(jìn)行矯正處理。第二，薄壁零件的外觀尺寸和厚度之間的比例較大，如果在制作加工中無法對(duì)變形問題進(jìn)行有效的處理，會(huì)導(dǎo)致其剛度明顯下降，并且會(huì)引發(fā)振動(dòng)等不良問題的出現(xiàn)，從而使得制作加工的質(zhì)量很難得到保證。第三，為了滿足使用需求，薄壁零件的表面需要其接頭、槽口等裝置都具有極高的銜接和安裝配置要求，加工精準(zhǔn)度極高，并在應(yīng)用上滿足高精尖要求[1]。

2大型薄壁筒類零件的加工工藝

2.1加工方案設(shè)計(jì)

該大型薄壁筒類零件主要通過深孔鉆床進(jìn)行鉆、擴(kuò)孔，并在數(shù)控車床上進(jìn)行外圓車削、內(nèi)孔鏜削，外圓車削的過程主要是對(duì)零件進(jìn)行表面加工，依照刀具主偏角分為95°、90°、75°、60°、45°等不同角度，在所需要刀具切削軸向力較大的情況下則可以選擇95°、90°，此角度適合對(duì)零件進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸類加工。如果車削短促類零件外圓的情況下，角度可以選擇75°、60°、45°，倒角車削情況下還可以選擇45°。內(nèi)孔鏜削主要是在半封閉狀態(tài)下，對(duì)于排屑情況不便于觀察，則可以通過該種方式來進(jìn)行零件的表面加工。所選用的工具為減震刀桿，主要是因?yàn)樾枰獙?duì)中等以上直徑零件進(jìn)行切削。根據(jù)零件的孔徑和長(zhǎng)度選擇不同刀具。此過程主要是對(duì)零件進(jìn)行粗加工，待粗加工之后則對(duì)零件進(jìn)行熱處理，之后再通過精密外圓車削、內(nèi)孔精密車削，以及借助精密鏜床、數(shù)控銑床分別對(duì)產(chǎn)品上的精密裝配孔、特殊下陷進(jìn)行加工等，經(jīng)計(jì)量、測(cè)量無問題后再進(jìn)行表面處理，以保證零件符合大型薄壁筒加工需要。

2.2工件的定位和夾緊方法

2.2.1 概述

由于大型薄壁筒類零件加工裝夾方法不同，其自由度也有著不同的限制，對(duì)于其定位處理主要包括四種類型，即不完全定位、完全定位、欠定位和過定位。其中，完全定位指的是對(duì)零件自由度進(jìn)行完全限制，將其牢固地固定在一處的定位作業(yè)過程。不完全定位指的是在部分較為特殊用途的零件制作加工中，零件的自由度不用做完全限制，僅對(duì)部分自由度予以限制的定位作業(yè)過程。欠定位指的是如果零件的自由度因制作加工的需要等原因應(yīng)受到限制，但是在實(shí)際上卻依然處于不受限制的狀態(tài)。過定位指的是零件的部分自由度受到其他自由度受限制的影響所處于的定位重復(fù)的狀態(tài)。對(duì)于此類型零件，是不符合生產(chǎn)質(zhì)量要求的，在具體的生產(chǎn)加工實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)。但是，對(duì)于在零件的加工中所出現(xiàn)的過定位問題，如果夾具上的定位元件具有較高的定位精準(zhǔn)度，可以對(duì)過定位情況進(jìn)行有效的矯正處理，這樣反而會(huì)使得零件的剛度和質(zhì)量得到明顯的提升[3]。

為了確保零件在制作加工和裝配過程中不發(fā)生位置偏離，需要對(duì)夾緊結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行加固處理，保證定位效果的精準(zhǔn)性和可靠性，避免在此過程中出現(xiàn)振動(dòng)、偏移等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2 具體操作方法

對(duì)于薄壁筒形零件加工所需要的工裝夾具，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有夾具底座、定位部件、夾緊部件和調(diào)姿部件等組成。其中，調(diào)姿部件所具有的調(diào)姿功能能夠把薄壁筒形零件進(jìn)行快速準(zhǔn)確的位置調(diào)整，然后定位部件則對(duì)零件的自由度進(jìn)行不同程度的限制，最后由夾緊部件完成零件的固定處理。這便是一套完整的薄壁筒類零件的裝夾作業(yè)流程。

在零件的端面和底部?jī)蓚€(gè)位置，均設(shè)置有兩個(gè)定位孔，定位作業(yè)就在此處完成。將零件放置在夾具上后，對(duì)調(diào)姿部件上具有的手輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將零件調(diào)整至合理的位置;調(diào)姿部件所具有的固定功能將鎖緊裝置固定在夾具底座上，底座下方安裝有X方向的直線導(dǎo)軌，當(dāng)松開緊鎖裝置后，將調(diào)姿部件放在導(dǎo)軌上進(jìn)行前后方向的微量移動(dòng)，以此確保零件處于正確的X方向位置上。然后再擰緊調(diào)姿部件中的鎖緊裝置的螺栓，使其牢固的固定在夾具上，這樣便完成了零件制作的姿態(tài)調(diào)整作業(yè)。下一步便是應(yīng)用定位部件的功能作用，將定位插銷插入定位孔處，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件自由度的充分限制，這便是薄壁筒形零件的完全定位作業(yè)流程。當(dāng)完全定位作業(yè)完成后，對(duì)夾緊部件上的手輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將零件進(jìn)行夾緊。這時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置至少6個(gè)夾緊部件在夾具四周呈均勻?qū)R式的分布，在夾緊作業(yè)中的施力必須要均勻，防止零件發(fā)生彎曲變形。夾緊部件以螺旋式進(jìn)行夾緊處理，具有非常穩(wěn)定的夾緊作業(yè)效果，并且該種夾緊方式的應(yīng)用還具有自鎖的功能，能夠有效防范在后續(xù)的切削作業(yè)中因力度掌握不當(dāng)所出現(xiàn)的位置偏移等不良問題。另外，夾緊部件、調(diào)姿部件與零件發(fā)生接觸的位置均采用了仿形設(shè)計(jì)，可以有效擴(kuò)大接觸面積，有利于對(duì)零件變形問題的防范和控制[3]。

2.2.3 加工裝置的設(shè)計(jì)

在具體的設(shè)計(jì)過程中，必須要根據(jù)零件產(chǎn)品的實(shí)際用途來對(duì)裝置的工藝、刀具、進(jìn)度等問題進(jìn)行充分的考慮，以滿足生產(chǎn)加工的實(shí)際需求。然后，參考零件的外觀形狀、尺寸等要素對(duì)裝置的功能、適用范圍、進(jìn)給速度、精準(zhǔn)度等問題和數(shù)據(jù)進(jìn)行明確。為了確保裝配加工裝置運(yùn)動(dòng)功能表達(dá)效果的增強(qiáng)，規(guī)定裝置的坐標(biāo)系。將與裝置主軸的軸線平行的移動(dòng)軸定義為Z軸，主軸與加工零件存在的偏離方向?yàn)檎较?將與Z軸保持垂直位置關(guān)系的移動(dòng)軸定位為X軸，Y軸則根據(jù)右手螺旋法則確定。繞X軸、Y軸和Z軸回轉(zhuǎn)的三個(gè)軸分別定義為A軸、B軸和C軸。

3工件材料加工工藝試驗(yàn)及樣機(jī)加工驗(yàn)證

當(dāng)零件加工作業(yè)完成以后，應(yīng)當(dāng)對(duì)零件的精準(zhǔn)度進(jìn)行再次調(diào)試，待調(diào)試符合設(shè)計(jì)質(zhì)量要求后，應(yīng)當(dāng)使用樣機(jī)對(duì)零件的質(zhì)量效果進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是檢查零件是否能夠與前期的設(shè)計(jì)質(zhì)量效果相符。由于現(xiàn)實(shí)條件的制約，無法對(duì)零件開展實(shí)踐性的加工驗(yàn)證。為了解零件加工情況，以車削回轉(zhuǎn)類零件為例了解其加工工藝試驗(yàn)及對(duì)其加工進(jìn)行驗(yàn)證。所選用的零件加工表明由圓柱、圓錐、順圓弧、逆圓弧及雙頭螺紋鎖組成，所車削的零件對(duì)于圓錐面直徑、凹圓弧面直徑、球面直徑的尺寸和大錐面的錐角要求較高。

現(xiàn)將鉆速調(diào)整為300r/min，進(jìn)給速度為300mm/min，削切深度為1.5mm的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件進(jìn)行粗加工處理，然后在主軸轉(zhuǎn)速不做調(diào)整的前提下，將進(jìn)給速度調(diào)整為200mm/min，削切深度調(diào)整為0.5mm對(duì)零件做精加工處理。待削切加工完成后，對(duì)鉆頭進(jìn)行更換，然后在零件表面進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆孔作業(yè)過程中，切削的轉(zhuǎn)速調(diào)整為3000r/min，入口進(jìn)給速度為160mm/min，出口進(jìn)給速度為30mm/min。經(jīng)過檢測(cè)后，所得出的檢測(cè)結(jié)果分別為粗糙度：Ra0.75μm，平整度0.16mm，鉆孔出口處的毛刺為細(xì)微的均勻毛刺，與前期的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求相符[4]。

4大型薄壁筒類零件加工注意事項(xiàng)

4.1 深孔加工

大型薄壁筒類零件的選用，更多的是一種新型不銹鋼材料，對(duì)于此種材料所進(jìn)行的加工往往展現(xiàn)出一種不易切削的特點(diǎn)，其外在表現(xiàn)為切削力度大，所需要的切削溫度較高，并且零件切削過程中極容易產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，對(duì)于刀具造成嚴(yán)重磨損。為了針對(duì)此種情況予以改善，可以采用深孔鉆孔，這樣刀具不容易斷削，但是對(duì)于深孔鉆孔的刀具（鉆頭）提出一定要求，并要求切削參數(shù)需要滿足實(shí)際需要，必須斷削，鐵屑不能太長(zhǎng)，否則都會(huì)造成深鉆孔的堵塞，排屑孔無法更好排屑，容易造成刀具報(bào)廢，在此方面需要予以高度重視。

4.2 數(shù)控車床減震刀桿鏜內(nèi)孔

如前文所述，數(shù)控車床在進(jìn)行零件加工時(shí)候因?yàn)樗x用的零件更多的是不銹鋼材料，且為中等以上直徑零件，這就需要做好減震刀桿的選用，使用減震刀桿鏜內(nèi)孔，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)零件的精加工，讓零件壁厚變薄，并能夠有效防止零件變形，也能夠就零件的震動(dòng)情況予以減弱，達(dá)到零件防震效果。

4.3 零件外形下陷的數(shù)控銑削加工

數(shù)控銑削加工主要選用的是高精度五坐標(biāo)龍門數(shù)控銑，在對(duì)銑削進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的時(shí)候，要保證其參數(shù)設(shè)置小于切削深度，并保持銑削高轉(zhuǎn)速，慢進(jìn)給，切削的參數(shù)可以結(jié)合需要自定。此過程中所需要注意的是防震刀的應(yīng)用，通過防震刀的選用能夠防止零件變形和零件共振等情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)更好的切削效果。

5結(jié)語

本文主要針對(duì)目前所廣泛使用的大型薄壁筒類零件加工制作模式進(jìn)行研究，首先對(duì)飛機(jī)薄壁零件的工藝特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)介紹，在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)方法來對(duì)以往的薄壁零件的制作加工容易出現(xiàn)的變形、精準(zhǔn)度底等問題進(jìn)行改進(jìn)和處理。然后就大型薄壁筒類零件的加工工藝進(jìn)行了分析闡述，重點(diǎn)對(duì)夾緊和定位的操作流程和方法以及裝置設(shè)計(jì)方案的制定等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)重點(diǎn)的闡述，最后就工件材料加工工藝試驗(yàn)及樣機(jī)加工驗(yàn)證進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析論述。通過研究可以有效證明，在薄壁筒類零件的加工制作中的應(yīng)用能夠較好地解決變形、精準(zhǔn)度不高等不良問題，能夠更好地滿足航空企業(yè)的實(shí)際需求，具有良好的推廣借鑒及價(jià)值。由于筆者的專業(yè)水平有限，此次研究還存在著一定的不足之處，這也是筆者以后努力的方向和需要深入研究的內(nèi)容，大型薄壁筒類其他易變形零件的裝配中進(jìn)行進(jìn)一步的分析和論證，也有待筆者進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張勇.大型薄壁筒體類零件焊接變形控制工藝研究[J].工程技術(shù)（引文版），2016（8）：307.

[2] 張克.大型薄壁筒體類零件焊接變形控制工藝研究[J].新技術(shù)新工藝，2015（12）：8-10.

[3] 劉本良.大口徑薄壁筒類零件車削工藝研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2017（5）：167-168.

[4] 張健.航天大型零件旋壓機(jī)筒形件支撐裝置的研究[D].太原：中北大學(xué)，2016.