水下航行體殼體楔環(huán)內(nèi)外止口加工工藝 方法的分析與實(shí)現(xiàn)

過群輝

（昆明船舶設(shè)備研究實(shí)驗(yàn)中心，昆明 650200）

為便于對水下航行體楔環(huán)內(nèi)外止口的加工工藝方法進(jìn)行說明，以某型號水下航行體殼體為模型展開研究，旨在為水下航行體殼體楔環(huán)內(nèi)外止口的加工提供合理的機(jī)械加工方法。某型水下航行體殼體的外徑為180mm，其中有4段殼體的聯(lián)接采用楔環(huán)的聯(lián)接方式。選擇合適的加工工藝方法，對合理利用資源、提高工作效率和提升產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性作用。本文在綜合考慮多種工藝方法的基礎(chǔ)上，采用兩種工藝方法進(jìn)行殼體楔環(huán)內(nèi)外止口的加工，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)及零件模型

1.1 楔環(huán)聯(lián)接結(jié)構(gòu)

如圖1所示，某型號水下航行體殼體楔環(huán)聯(lián)接結(jié)構(gòu)在兩聯(lián)接端的外止口外部和內(nèi)止口內(nèi)部有一楔環(huán)槽，在內(nèi)止口上有一個(gè)楔環(huán)開口。分段產(chǎn)品通過定位銷定位對接上以后，將帶銷楔環(huán)從內(nèi)止口上的開口穿入到位，再通過帶銷楔環(huán)上的銷釘裝在外止口上，將楔環(huán)以相反的方向插入開口并到位，使得兩段殼體聯(lián)接處的端面緊靠在一起。在帶銷楔環(huán)和楔環(huán)之間的間隙用填片定位，防止楔環(huán)松動。此外，在楔環(huán)開口處裝配蓋板，并用螺釘將其固定在外止口上。

圖1 某型號水下航行體殼體楔環(huán)聯(lián)接結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)楔環(huán)時(shí)，將楔環(huán)的斜角設(shè)計(jì)為單線普通螺紋的螺紋升角，通過選用標(biāo)準(zhǔn)螺距和設(shè)計(jì)的殼體楔環(huán)槽外徑確定螺紋升角[1]，計(jì)算公式為：

式中，λ為螺紋升角，p為螺距，d2為螺紋中徑。

為了防止楔環(huán)松動，一方面需確保楔環(huán)斜角即螺紋升角λ小于摩擦角ψ，從而利用摩擦防松。螺紋升角λ通過螺距p的選擇來確定，摩擦角ψ通過楔環(huán)間的摩擦系數(shù)確定。另一方面，在楔環(huán)間增加填片，實(shí)現(xiàn)機(jī)械防松[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，可以通過楔環(huán)斜角求出螺距p，然后在普通車床上加工楔環(huán)。

1.2 零件模型

如圖2所示，要求零件模型對基準(zhǔn)軸線的徑向圓跳動小于0.03mm，即楔環(huán)內(nèi)外止口回轉(zhuǎn)體表面上各點(diǎn)到基準(zhǔn)軸線間的最大距離不超過0.03mm。另外，該工藝要求楔環(huán)內(nèi)外止口端面對基準(zhǔn)軸線的垂直度不大于0.06mm，即楔環(huán)內(nèi)外止口端面的平面度和對基準(zhǔn)軸線的端面圓跳動均應(yīng)小于0.06mm。這些要求說明楔環(huán)內(nèi)外止口的加工須以外圓為同一基準(zhǔn)進(jìn)行加工，即第一種工藝方法。選擇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)，可在普通車床上實(shí)現(xiàn)楔環(huán)內(nèi)外止口的加工。另外，在遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則的基礎(chǔ)上，可以把殼體內(nèi)腔兩端的2×45°作為定位基準(zhǔn)，即增加兩個(gè)在圖紙上沒做嚴(yán)格要求的尺寸。楔環(huán)內(nèi)外止口的生產(chǎn)工藝要求對外圓基準(zhǔn)A的跳動小于0.03mm。由于這兩個(gè)尺寸為錐度，使得跳動包含了徑向圓跳動和端面圓跳動，因此保證了定位基準(zhǔn)能夠同時(shí)滿足楔環(huán)內(nèi)外止口對基準(zhǔn)軸線的徑向圓跳動小于0.03mm和楔環(huán)內(nèi)外止口端面對基準(zhǔn)軸線的垂直度不大于0.06mm兩個(gè)位置公差的要求，即第二種工藝方法。將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為殼體內(nèi)腔兩端的2×45°的工藝基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，可在數(shù)控車床上實(shí)現(xiàn)楔環(huán)內(nèi)外止口的加工。

圖2 零件模型

2 加工中工藝路線應(yīng)遵循的原則

楔環(huán)內(nèi)外止口模型的殼體為鑄造件，易產(chǎn)生砂眼、氣孔、縮孔和橢圓度等缺陷。因此，楔環(huán)內(nèi)外止口應(yīng)采取粗加工工藝，目的是在去除鑄造余量后進(jìn)行探傷，篩選出無砂眼、氣孔和縮孔鑄造缺陷的零件毛坯[3]。精加工后的零件為了滿足耐壓試驗(yàn)的要求，必須保證殼體壁厚滿足圖樣及技術(shù)條件的要求。工藝上應(yīng)采取粗車，以內(nèi)表面為粗基準(zhǔn)來加工外表面，以保證內(nèi)、外表面的同軸度，減小或消除橢圓度誤差的影響，從而控制殼體壁厚，達(dá)到耐壓要求。

在加工殼體時(shí)，鋁鑄件內(nèi)應(yīng)力很大。為滿足圖紙尺寸精度和形位公差的要求，工藝上應(yīng)采取粗加工，表面留1.5～2mm余量，然后進(jìn)行人工時(shí)效處理，目的是消除內(nèi)應(yīng)力，減少精加工時(shí)的變形量。精加工是為了減小切削深度和進(jìn)刀量，提高機(jī)床切削速度，最大限度地消除切削加工應(yīng)力，以滿足零件尺寸精度、形位公差及粗糙度的要求。

楔環(huán)內(nèi)外止口模型的殼體壁較薄，裝夾易變形，若用一般的標(biāo)準(zhǔn)三爪卡盤裝夾，會產(chǎn)生零件夾持變形的問題。所以，應(yīng)采用專用三爪或夾具夾持，將尾座上頂板頂緊，保證裝夾可靠且零件不變形。

3 在普通車床上實(shí)現(xiàn)楔環(huán)內(nèi)外止口加工的工藝方法

該生產(chǎn)工藝對于加工楔環(huán)內(nèi)外止口的車床有一定的技術(shù)要求。根據(jù)零件模型，應(yīng)能達(dá)到精車外圓圓度允差0.015mm，直徑一致性0.02mm/300mm，機(jī)床主軸跳動軸向0.015mm，徑向0.01mm。在考慮定位誤差、夾具有關(guān)制造誤差、夾具（零件）在機(jī)床上的定位誤差、工件在切削過程中所產(chǎn)生的誤差和機(jī)床工作精度后，經(jīng)檢定合格的車床才能夠滿足殼體的精度要求。在加工過程中，還應(yīng)該有經(jīng)計(jì)量合格的工藝裝備來確保零件的加工和測量，如表1所示。

普通車床上加工殼體的工藝路線：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工時(shí)效→半精加工→精加工外止口（普通車床）→精加工內(nèi)止口（普通車床）→精加工外圓（普通車床）→后續(xù)工序→耐壓試驗(yàn)。

4 在數(shù)控車床上實(shí)現(xiàn)楔環(huán)內(nèi)外止口加工的工藝方法

在數(shù)控車床上加工楔環(huán)內(nèi)外止口的精度指標(biāo)均能滿足殼體精度要求，所需量具與普通機(jī)床相同。它與普通車床的工藝方法的不同在于裝夾方法和工藝路線。

分析零件模型可知，在加工楔環(huán)內(nèi)止口時(shí)，將殼體內(nèi)腔兩端的2×45°一起找正加工完成，然后作為定位基準(zhǔn)，就能實(shí)現(xiàn)楔環(huán)的外止口和外圓一起加工，從而保證零件模型的尺寸和精度要求。經(jīng)過半精加工后，在數(shù)控車床上先進(jìn)行兩端內(nèi)腔及內(nèi)止口的加工，以保證模型的總長度要求，再進(jìn)行兩端的2×45°的加工。另外，加工殼體時(shí)面臨的主要問題是如何對零件進(jìn)行裝夾，實(shí)現(xiàn)外止口和外圓的加工。零件的定位可以采用錐度頂板，利用兩端的2×45°限制6個(gè)自由度，但需要工件的裝夾力滿足切削要求。

計(jì)算工件通過錐度頂板裝夾后，機(jī)床所能提供的工件夾持力為[4]：

表1 主要工藝裝備及功用

式中，P為機(jī)床尾座壓強(qiáng)，取最大值P＝3.3N/mm2；S為接觸面積，取最大值S＝1600mm2；f為摩擦系數(shù)；鋁和鋼的摩擦系數(shù)f＝0.17。綜合計(jì)算，可得F＝897.6N。

計(jì)算工件裝夾剛度，計(jì)算公式為：

式中，K為工件裝夾方式系數(shù)，兩頭頂針夾固時(shí)K＝48；E為工件材料的彈性模量，鋁合金的E=70GPa=7× 104N/mm2；I為工件的慣性矩，I=0.05d4=5.25×107mm2，其中d為車削后工件直徑；f為工件允許的彎曲度，f≤1/5直徑公差=0.04mm；l為工件長度，取所有殼體中最大長度，l=600mm。綜合計(jì)算，可得F′=1.176×1010N。

為簡便計(jì)算，按單位切削力的計(jì)算公式來計(jì)算切削力：

式中，p為單位切削力，鋁合金的p=833.9N/mm2；ap為切削用量，因?yàn)榘刖庸ず笥嗔繛?mm，取最大值ap=1mm；f為進(jìn)給量，取和單位切削力相匹配的數(shù)值f=0.3mm/r。綜合計(jì)算，F(xiàn)′=250.17N。

通過計(jì)算可知，工件切削力F′遠(yuǎn)小于工件裝夾剛度F′，即車床對工件的切削力能保證殼體剛度允許的切削力要求，這樣工件在切削過程中不會發(fā)生振動，有利于保證工件粗糙度在公差范圍內(nèi)。

工件夾持力F大于切削力F′，因此工件的裝夾能滿足車床對工件的切削力要求。計(jì)算工件夾持力F時(shí)考慮的是機(jī)床所能提供的最大夾持力，但實(shí)際上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。首先，機(jī)床提供的液壓壓強(qiáng)不能保持在最大值3.3MPa，一般情況下取1.2MPa。其次，殼體兩端的2×45°可能偏小，導(dǎo)致接觸面積大大縮小。再次，工件加工過程中夾具及工件上可能粘有潤滑劑，會使摩擦系數(shù)減小一個(gè)數(shù)量級?？梢?，實(shí)際應(yīng)用中，工件的夾持力大幅減小，嚴(yán)重時(shí)將小于切削力，會導(dǎo)致工件在加工過程中發(fā)生滑動使工件報(bào)廢。

殼體內(nèi)腔兩端單純依靠錐度頂板不能確保零件裝夾可靠，需要尋找一種可行的裝夾方式進(jìn)行裝夾。一種方法是采用一端雞心夾另一端墊板夾固的方式進(jìn)行裝夾，能保證零件可靠裝夾，但是外圓和外止口不能一次裝夾加工到位，會因重復(fù)裝夾影響零件形位公差，并且降低效率[5]。另一種方法是采用一端夾盤一端頂板夾固的方式進(jìn)行裝夾，也能保證零件可靠裝夾，但是同樣存在上述的問題，且增加了裝夾找正的難度。

綜上所述，數(shù)控車床上加工殼體的工藝路線可確定為：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工時(shí)效→半精加工→精加工內(nèi)止口（數(shù)控車床）→精加工內(nèi)止口、外圓（數(shù)控車床）→后續(xù)工序→耐壓試驗(yàn)。

5 結(jié)語

在普通車床上加工楔環(huán)內(nèi)外止口的工藝方法對加工設(shè)備的要求不高，但加工周期長，對工人的技術(shù)要求較高，零件尺寸穩(wěn)定性差，通常在加工數(shù)量少、數(shù)控機(jī)床負(fù)載率高的情況下采用。

在數(shù)控車床上加工楔環(huán)內(nèi)外止口的工藝方法能滿足零件的圖紙要求，且尺寸穩(wěn)定性好、加工周期短及操作工人勞動強(qiáng)度相對較低，適合中、小批量的生產(chǎn)加工。這種工藝方法常在殼體加工中采用，具有效率高（是普通車床加工楔環(huán)內(nèi)外止口工藝方法的6倍）、加工的零件產(chǎn)品合格率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、可行的加工方法。