關(guān)于薄壁管狀零件加工工裝優(yōu)化技術(shù)的研究

喬裕

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西西安 710089）

1.薄壁管狀零件加工的難點(diǎn)分析

1.1 工件變形缺陷

對(duì)于薄壁管狀零件來說，其外徑相對(duì)較大，且管體長、管壁厚度薄、沒有法蘭約束結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)其受到外部應(yīng)力時(shí)，極容易發(fā)生變形，最終引發(fā)工件扭曲變形的問題。從加工工藝的角度來看，受到形位公差的影響，需要在同一次操作中完成內(nèi)型面以及外型面的加工，此時(shí)會(huì)對(duì)毛坯內(nèi)部在制造過程中所產(chǎn)生的參與應(yīng)力進(jìn)行釋放，由此導(dǎo)致工件發(fā)生變形[1]。若是應(yīng)用車床卡盤、凹凸工件落實(shí)薄壁管狀零件的粗加工、半精細(xì)加工以及精加工，受到工件剛性相對(duì)較低、懸伸較大的影響，則需要工裝擁有更高的夾緊力。此時(shí)，如果將內(nèi)孔設(shè)定為基準(zhǔn)、配車實(shí)心鋁盤鑲嵌至孔內(nèi)，結(jié)合外包套輔助裝夾的應(yīng)用，在實(shí)際的薄壁管狀零件加工時(shí)已然面對(duì)著較高的變形隱患發(fā)生概率。

1.2 殼件變形缺陷

在車削加工階段，受到軸向切削力的影響，殼件極容易出現(xiàn)變形缺陷，引發(fā)這一問題的主要原因在于軸向裝夾方式有所不足。通常情況下，在車削加工階段，殼件在徑向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。當(dāng)殼件中間位置的扭轉(zhuǎn)變形值達(dá)到最大時(shí)，這一扭轉(zhuǎn)變形達(dá)為徑向裝夾工況條件下的1/2；當(dāng)殼件存在于徑向裝夾工況條件下時(shí)，則會(huì)在工件末端位置測量到扭轉(zhuǎn)變形的最大值。對(duì)比這兩種項(xiàng)不同工況條件下獲取到的扭轉(zhuǎn)變形最大值能夠發(fā)現(xiàn)，殼件在徑向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。

2.薄壁管狀殼件變形實(shí)際情況分析

設(shè)定薄壁管狀殼件在軸向裝夾條件下的受力模型，對(duì)軸向裝夾與徑向裝夾兩種工況條件下的殼件變形情況實(shí)施分析。

設(shè)定Tb為殼件中間位置受到的旋轉(zhuǎn)扭矩、設(shè)定Ta為殼件約束端A處受到的旋轉(zhuǎn)扭矩、設(shè)定Tc為殼件約束端C處受到的旋轉(zhuǎn)扭矩。參考靜力平衡方程，能夠計(jì)算表達(dá)式。結(jié)合殼件在兩約束端處面對(duì)的約束條件，可以確定出截面A相對(duì)于截面C的扭轉(zhuǎn)角為0，此時(shí)有計(jì)算式。

綜合扭轉(zhuǎn)變形條件、力學(xué)方程與扭矩計(jì)算公式以及扭轉(zhuǎn)變形的受力特征，能夠得到截面B的扭轉(zhuǎn)變形量，其表達(dá)式如下所示：

其中，a代表著A端與B位置之間的距離；b代表著C端與B位置之間的距離；G代表著材料的切變模量；Ip代表著殼件的極慣性矩；P代表著主軸輸出功率；z代表著車削截面與主軸裝夾之間的距離；L代表著殼件的總體長度；n代表著轉(zhuǎn)速。根據(jù)上述表達(dá)式，能夠推導(dǎo)出極慣性矩的計(jì)算式，即有：

其中，D代表著殼件的外直徑；d代表著殼件的內(nèi)直徑。

在殼件位于主軸一端裝夾的條件下，結(jié)合扭轉(zhuǎn)變形以及能量原理，可以推出殼件車削加工截面的軸向扭轉(zhuǎn)位移以及扭轉(zhuǎn)變形表達(dá)式[2]，具體如下：

設(shè)定徑向裝夾以及軸向裝夾這兩種扭轉(zhuǎn)變形工況，對(duì)比兩工況條件下的殼件扭轉(zhuǎn)變形實(shí)際情況可以總結(jié)出，在車削加工階段，殼件在徑向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。當(dāng)殼件B位置的扭轉(zhuǎn)變形值達(dá)到最大時(shí)，這一扭轉(zhuǎn)變形達(dá)為徑向裝夾工況條件下的1/2；當(dāng)殼件存在于徑向裝夾工況條件下時(shí)，則會(huì)在工件末端位置測量到扭轉(zhuǎn)變形的最大值。對(duì)比這兩種項(xiàng)不同工況條件下獲取到的扭轉(zhuǎn)變形最大值能夠發(fā)現(xiàn)，殼件在徑向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。選定某一殼件作為樣本，主要參數(shù)如下：G取值75GPa；P取值22kW；z取值47mm；L取值94mm；n取值95r/min；D取值232mm；d取值228.5mm。利用該工件樣本對(duì)上文闡述分析的殼件變形規(guī)律展開驗(yàn)證分析，將這些參數(shù)帶入上述表達(dá)式，可以得出如下結(jié)果：（1）徑向裝夾工況。最大扭轉(zhuǎn)角為12.27×10-5rad；變形量為12.65×10-6m。（2）軸向裝夾工況。最大扭轉(zhuǎn)角為3.07×10-5rad；變形量為3.17×10-6m。這一數(shù)據(jù)證實(shí)了上述分析結(jié)果。

3.薄壁管狀零件加工工裝技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整分析

3.1 專用工裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

為了更好規(guī)避在殼件車削過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的問題，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化三爪卡盤及輔助裝夾，換言之，需要展開專用工裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)殼件實(shí)施軸向裝夾操作的專用工裝結(jié)構(gòu)（圖1），當(dāng)進(jìn)行內(nèi)面型的加工時(shí)，在周圍均勻布置的拉桿的支持下（數(shù)量設(shè)定為4根），實(shí)現(xiàn)對(duì)端面環(huán)狀壓板的固定，促使止口端與壓板保持在接觸狀態(tài)，并保持壓板與外回轉(zhuǎn)面之間具有較為微小的間隙；在進(jìn)行外面型的加工時(shí)，在螺桿的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)端面壓板的緊固處理，促使工件端面與壓板保持在接觸狀態(tài)，并保持壓板與內(nèi)回轉(zhuǎn)面之間具有較為微小的間隙。

圖1 專用工裝結(jié)構(gòu)

3.2 加工工裝技術(shù)的優(yōu)化

3.2.1 工藝調(diào)整措施

出于盡可能規(guī)避殼件加工過程中產(chǎn)生變形缺陷問題的考量，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步落實(shí)對(duì)工裝工藝的調(diào)整。在此過程中，將依托三爪卡盤裝夾展開對(duì)粗加工、半精細(xì)加工以及精加工的一次性完成工藝，替換為依托三爪卡盤裝夾實(shí)施粗加工，并利用專用工裝實(shí)施半精細(xì)加工以及精加工的工藝，并進(jìn)一步調(diào)整為應(yīng)用專用工裝進(jìn)行粗加工、半精細(xì)加工以及精加工。

3.2.2 其他工藝調(diào)整措施

第一，原材料方面的控制。依托零件用途以及性能要求，選取合適的薄壁管狀零件加工原材料、規(guī)格尺寸，在完成下料操作后，依托加熱實(shí)現(xiàn)擴(kuò)口處理，并預(yù)留出充足的加工余量；參考相關(guān)技術(shù)要求，落實(shí)對(duì)零件的熱處理操作；展開變形力的抽樣檢測試驗(yàn)，判斷材料性能是否達(dá)標(biāo)，只有在全部達(dá)標(biāo)的條件下才可以繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的加工處理操作[3]。第二，車削刀具的合理選用。在展開精加工的過程中，重點(diǎn)關(guān)注刀柄剛度的維護(hù)，促使修光刃的長度保持在合理水平，同時(shí)保證刀刃鋒利。

4.結(jié)語

殼件在徑向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在軸向裝夾狀態(tài)下所承受的扭矩變形。通過專用工裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠促使內(nèi)面型加工與外面型加工在一次裝夾的條件下同時(shí)完成，兩工序的過渡自然且自動(dòng)。同時(shí)，配合工藝調(diào)整以及原材料方面的控制、車削刀具的合理選用、控制切削用量合理，最大程度降低了薄壁管狀零件在實(shí)際的加工過程中發(fā)生變形問題的概率。