一種大直徑錐形零件的補(bǔ)償銑削加工方法

供稿|王德廷，郭東亮，王元軍，李泊，李金龍 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

航天制造技術(shù)中錐形零件較球形零件和橢球形零件在空間節(jié)省方面更具優(yōu)勢，同時(shí)力學(xué)性能更好，受力更加均勻，因而大直徑錐形零件的應(yīng)用越來越廣泛。隨著弱剛度薄壁件產(chǎn)品尺寸越來越大，加工精度要求越來越高，本文針對一種大直徑弱剛度錐形零件裝夾困難、銑削基準(zhǔn)找正困難等問題，通過設(shè)計(jì)裝夾工裝，制定合理的補(bǔ)償銑削加工工藝方案，尋找最優(yōu)銑削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了錐形零件的可靠裝夾，保證了零件的高精度要求。

隨著航天制造技術(shù)的發(fā)展，航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，產(chǎn)品尺寸越來越大，加工精度要求也越來越高。由于錐形零件較球形零件和橢球形零件在空間節(jié)省方面更具優(yōu)勢，同時(shí)其力學(xué)性能更好，受力更加均勻，大直徑錐形零件的應(yīng)用越來越廣泛。某大直徑錐形零件屬于典型的弱剛度薄壁件，同時(shí)產(chǎn)品銑削尺寸精度要求較高，在產(chǎn)品加工過程中，存在裝夾困難、銑削基準(zhǔn)找正困難等問題。本文通過研究大直徑弱剛度錐形零件的補(bǔ)償銑削工藝，設(shè)計(jì)裝夾方案，尋找最優(yōu)銑削參數(shù)，解決了該工件的加工難題。

加工現(xiàn)狀

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

某錐形零件大端直徑尺寸為4800 mm，小端直徑尺寸為2200 mm，高度約1300 mm，整體壁厚僅有10 mm，如圖1所示，屬于典型的弱剛度薄壁產(chǎn)品。為滿足攪拌摩擦焊較高的尺寸精度要求，在焊接前，需進(jìn)行大端與小端的余量銑切工作，同時(shí)保證實(shí)際銑切邊界與焊接理論銑切邊界誤差不大于0.1 mm，加工精度要求極高。

產(chǎn)品加工難點(diǎn)

裝夾困難

零件尺寸較大，屬于典型弱剛度零件，如無適宜裝夾方案，加工過程中極易產(chǎn)生加工變形，無法保證銑削精度。

銑削基準(zhǔn)找正困難

產(chǎn)品焊接要求尺寸精度極高，加工后實(shí)際銑切邊界與理論銑切邊界誤差不大于0.1 mm。加工前，產(chǎn)品大端與小端已刻有理論銑切線，實(shí)際加工時(shí)，很難保證如此高的找正精度。

圖1 大直徑弱剛度錐形零件結(jié)構(gòu)示意圖

合理的銑斷加工策略

為得到較高的銑削效率，減小加工過程中的震顫，需設(shè)計(jì)合理的銑斷加工策略。

加工方案

裝夾方案

針對大尺寸錐形零件弱剛性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適應(yīng)錐形零件加工的裝夾工藝。

回轉(zhuǎn)中心的確定

為便于回轉(zhuǎn)中心的確定，銑削夾具設(shè)計(jì)一圓形底座，銑削時(shí)的回轉(zhuǎn)中心即為基座圓心位置，其余壓緊裝置及撐環(huán)均基于基座回轉(zhuǎn)中心設(shè)計(jì)。

撐緊結(jié)構(gòu)

為保證工裝整體結(jié)構(gòu)剛度，工裝設(shè)計(jì)有橫縱交錯(cuò)的加強(qiáng)撐桿。同時(shí)，在工裝大端、小端設(shè)計(jì)有局部撐環(huán)，大端撐環(huán)、小端撐環(huán)的型面與零件內(nèi)型面一致，已達(dá)到銑切區(qū)域局部接觸支撐的目的。在撐環(huán)對應(yīng)理論銑斷區(qū)域設(shè)計(jì)有銑切槽，以保證刀具在銑斷零件時(shí)的工裝安全。

壓緊機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠定位，保證產(chǎn)品在加工過程中不發(fā)生移位，需設(shè)計(jì)合理的壓緊機(jī)構(gòu)。

在工裝小端設(shè)計(jì)有均勻分布的6處壓緊裝置。壓緊裝置利用螺釘連接的形式固定于小端撐環(huán)上，同時(shí)利用螺桿連接的形式沿錐度母線方向手動向下施加壓力，結(jié)合錐形零件接觸面自鎖特性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠裝夾。為避免螺釘突出帶來的干涉問題，所有連接孔均設(shè)計(jì)為沉頭孔的形式。為便于工裝起吊，設(shè)計(jì)有4處工裝起吊環(huán)。圖2為錐底零件工裝示意圖。

圖2 錐底零件工裝示意圖

產(chǎn)品銑斷加工策略

為保證產(chǎn)品銑斷對裝夾可靠性的影響，優(yōu)化工藝方案：產(chǎn)品吊裝至銑切工裝→調(diào)平→分段銑切大端余量→分段銑切小端余量→鉗工連接處余量。

在產(chǎn)品切斷時(shí)，當(dāng)直接整周銑斷時(shí)，易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，造成刀具折斷及產(chǎn)品銑傷，同時(shí)造成產(chǎn)品變形與裝夾失效。優(yōu)化銑切策略，采取6段均布銑斷的方式，段與段間留10 mm連接余量，防止產(chǎn)品全部銑斷時(shí)裝夾失效的風(fēng)險(xiǎn)。最后，采用鉗工將連接處余量鋸斷、打磨的方式保證產(chǎn)品精度，如圖3所示。

圖3 分段銑切示意圖

產(chǎn)品銑斷時(shí)，分粗、精加工。粗加工時(shí)，采用φ10銑刀分層扎削的方式滿吃刀去除余量，此時(shí)銑削工況較差，振動明顯，留余量2 mm。產(chǎn)品自然時(shí)效24 h，充分釋放產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力，精加工時(shí)，在余量較小的情況下，利用銑刀側(cè)刃去除余量，一刀到位，保證加工精度。

補(bǔ)償加工策略

加工后實(shí)際銑切邊界與理論銑切邊界誤差不大于0.1 mm，產(chǎn)品裝夾調(diào)平時(shí)，很難保證如此高的找正精度。采用數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)牟呗詮浹a(bǔ)調(diào)平誤差。

產(chǎn)品調(diào)平精度控制在1 mm左右即可，精加工前，采用游標(biāo)卡尺均布測量40個(gè)點(diǎn)的實(shí)際余量值，當(dāng)相鄰兩點(diǎn)間余量變化范圍介于0.3～0.5 mm時(shí)，兩點(diǎn)間增加1個(gè)測量點(diǎn)，當(dāng)相鄰兩點(diǎn)間余量變化范圍介于0.5～1 mm時(shí)，兩點(diǎn)間增加2個(gè)測量點(diǎn)，最終獲得銑切邊界分段后各段的余量分布情況，如圖4所示。加工邊界的實(shí)際位置曲線與加工邊界的理論位置曲線對比，將余量誤差補(bǔ)償至銑加工程序，得到自適應(yīng)加工路徑[1]。采用補(bǔ)償方案加工后的斷面與理論銑切邊界誤差僅為0.05 mm，滿足產(chǎn)品后續(xù)焊接需求。

切削參數(shù)優(yōu)化

錐形零件產(chǎn)品粗加工時(shí)，刀具選擇為小直徑φ10立銑刀，粗銑過程中，刀具的切削狀態(tài)為全吃刀，切削狀態(tài)不穩(wěn)定，刀具磨損嚴(yán)重，同時(shí)由于錐形產(chǎn)品自身重力的影響，切斷后，刀具承受沿母線方向的推力，極易造成刀具折斷并銑傷產(chǎn)品，如圖5所示。需通過在產(chǎn)品余量區(qū)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)尋找最優(yōu)切削參數(shù)，改善刀具切削狀態(tài)。

圖4 銑削位置余量測量數(shù)據(jù)采集圖

圖5 刀具折斷示意圖

在薄壁件加工時(shí)，影響切削力、振動的因素主要是轉(zhuǎn)速n、切寬ap、切深ae和進(jìn)給量f，且切削參數(shù)對產(chǎn)品加工質(zhì)量的影響因素的顯著性依次為：切寬＞切深＞進(jìn)給量[2]。綜合考慮產(chǎn)品加工效率及產(chǎn)品表面質(zhì)量，錐形零件粗加工正交實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)為獲得小切深和適當(dāng)每齒進(jìn)給量fz的最優(yōu)切削參數(shù)[3]，見表1。

兼顧加工效率，當(dāng)切深選擇為3 mm時(shí)，可以獲得較高的表面加工質(zhì)量，最優(yōu)切削參數(shù)為n=1500 r/min，ap=3 mm，f=500 mm/min，fz=0.08 mm。采用最優(yōu)切削參數(shù)進(jìn)行錐形零件粗加工，未發(fā)生刀具折斷現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)品表面質(zhì)量較好。

加工效果

本文通過研究大直徑弱剛度錐形零件的補(bǔ)償銑削工藝，設(shè)計(jì)裝夾方案，尋找最優(yōu)銑削參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)了大直徑弱剛度錐形零件的精密加工，加工后的斷面與理論銑切邊界誤差僅為0.05 mm，滿足了不大于0.1 mm的高精度要求。

表1 正交實(shí)驗(yàn)匯總表

結(jié)束語

本文通過改進(jìn)加工流程，設(shè)計(jì)可靠的裝夾方式，同時(shí)采用補(bǔ)償加工的方案，解決了大直徑弱剛度錐形零件難裝夾、不易找正的難題。采用局部仿形支撐的裝夾方案既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品可靠裝夾，同時(shí)又降低了工裝制造成本。通過補(bǔ)償加工方案進(jìn)一步提高了產(chǎn)品加工精度及加工效率。大直徑弱剛度錐形零件的補(bǔ)償銑削加工方案易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)施效果明顯，為同類型產(chǎn)品加工提供了加工經(jīng)驗(yàn)。