供稿|王德廷,郭東亮,王元軍,李泊,李金龍 /
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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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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
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)。