一種大直徑筒段蒙皮法蘭孔的加工方法

姚輝，李洋，李泊，錢劉順

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

大型航空筒段蒙皮件是火箭箱間段或級間段的重要零部件。根據(jù)設(shè)計需要筒段外壁需要焊接安裝多組法蘭。因此在焊接前需要在筒段蒙皮上加工相應(yīng)的法蘭焊接孔。由于筒段一般為薄壁結(jié)構(gòu)且外形直徑和高度尺寸較大，產(chǎn)品直徑約3 m、高約3 m，壁厚僅有6 mm，因此整體剛性差，無法使用常規(guī)的裝夾方式進行裝夾[1]。傳統(tǒng)生產(chǎn)中往往采用手工開孔的方式，但法蘭孔直徑從30 mm到300 mm不等且公差要求一般為-0.3～0 mm，而手工開孔會伴隨著尺寸穩(wěn)定性差和加工效率低的問題。若在焊接設(shè)備上加裝法蘭銑切系統(tǒng)還存在投入成本高的問題。為解決蒙皮法蘭孔手工精度低和焊接設(shè)備改造成本高的問題，本文將從工藝方法和工裝設(shè)計等方面介紹一種高精高效的數(shù)控蒙皮法蘭孔加工方法。

1 整體加工工藝方案

該產(chǎn)品在加工過程中穩(wěn)定性極差，當局部受力過大時極易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸精度難以滿足下游車間的焊接要求。因此在設(shè)計加工方案時，需要設(shè)計合理的裝夾方案和安排夾持點，增強產(chǎn)品的整體剛性，在穩(wěn)固裝夾的基礎(chǔ)上減少局部的夾持力以減少局部變形。因此無論是加工還是裝夾都不應(yīng)有過大的局部集中應(yīng)力。如圖1所示，為增加有效的夾持點在筒段下端點焊了8處角片用于輔助裝夾。待加工結(jié)束后再將角片移除，對點焊位置打磨即可。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸

此外，當法蘭孔較大時有較大的金屬去除量，直接開孔后孔口處會產(chǎn)生一定的變形[2]。為了減少最終孔徑的變形，需要根據(jù)孔的變形規(guī)律在粗加工時留有2 mm的加工余量再進行半精加工和精加工，在有效控制最終孔的變形量同時也為粗加工過程出現(xiàn)局部震顫導(dǎo)致過切留出余量。

此類大型零件由于高度和直徑尺寸較大，對于批量大的產(chǎn)品往往設(shè)有專用機床，但對于研制階段的產(chǎn)品專機投入較大，且產(chǎn)品規(guī)格尺寸易發(fā)生修改，因此采用通用機床加專用工裝的方式更為節(jié)約成本。此類大直徑產(chǎn)品較為適合帶回轉(zhuǎn)工作臺的臥銑機床加工，如常見鏜銑床，零件的轉(zhuǎn)運及加工不易受機床結(jié)構(gòu)干擾，如龍門結(jié)構(gòu)的五軸機床易受到其龍門寬度及高度的限制。加工同樣規(guī)格尺寸的產(chǎn)品鏜銑床的規(guī)格尺寸往往要小于五軸龍門機床。

2 裝夾工裝的設(shè)計與裝夾方案研究

針對該類薄壁弱剛性的產(chǎn)品，研究設(shè)計了一種專用的裝夾工裝，該裝夾工裝不僅從內(nèi)部撐緊產(chǎn)品，同時分別在上下兩端增設(shè)軸向裝夾點，進一步增加產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛性，從而更好地控制零件的變形，減小產(chǎn)品在加工過程中的變形量，進一步保證精加工的精度[3]。

由于機床為通用機床，為便于實際生產(chǎn)中工裝的頻繁拆裝，減輕工裝質(zhì)量，工裝主體采用鋁合金型材拼焊的方法，由上支撐環(huán)和下支撐環(huán)通過中間4根立柱連接而成。

如圖2所示為筒段的裝夾工裝，由于零件較高（約3 m），因此為保證零件有裝夾的穩(wěn)定性，在零件上下兩端設(shè)計徑向和軸向約束。從圖2放大視圖可以看到，工裝在零件上下端分別設(shè)置有8處內(nèi)撐機構(gòu)。支撐端采用圓弧柱面結(jié)構(gòu)，弧長約500 mm、寬60 mm?；∶娼Y(jié)構(gòu)可更有效地提高工裝與零件的貼合度。內(nèi)撐機構(gòu)通過螺紋桿來控制伸縮，對零件施加徑向的約束同時校正零件的圓度。在上支撐環(huán)上設(shè)計有8處軸向壓緊點，每個壓緊點配有一個U形卡箍，先將U形卡箍固定在零件上端面，再朝向壓緊點安裝壓板壓緊U形卡箍。通過U形卡箍可以防止零件被壓傷同時增加壓板可壓緊的面積，便于裝夾過程中調(diào)整壓緊位置[4]。

圖2 專用工裝的結(jié)構(gòu)

同時對于筒段下端，由于產(chǎn)品外表面無凸臺等結(jié)構(gòu)，無夾持點，因此采用了點焊角片增加輔助壓持點的方案。在零件的下端均布焊接了8處寬約60 mm的角片。同時，在裝夾時下端軸向夾持點與上端軸向夾持點圓周相差45°交錯分布，保證軸向壓持力在產(chǎn)品上均勻分布。

通過上下端面分別設(shè)置的軸向的壓緊點進一步增加零件與工作臺的連接，以提高零件整體的剛性，保證零件切削過程的穩(wěn)定。雖然加工的位置沒有內(nèi)部支撐，但上下兩端的約束已經(jīng)使零件處于一個穩(wěn)定的裝夾狀態(tài)。

在筒段裝入專用裝夾工裝的過程中，為避免筒段受內(nèi)撐力引起的零件變形，在裝夾過程中需使用百分表對零件外圓進行實時的校正。特別是上下端的支撐點處圓度及軸向的母線直線度，通過不斷地調(diào)整各個內(nèi)支撐的伸縮量及打表找正，保證支撐處的圓度及母線直線度均要在0.1 mm以內(nèi)，以實現(xiàn)筒段的準確裝夾。

3 數(shù)控加工刀路軌跡的設(shè)計

由于法蘭孔為柱面通孔，側(cè)壁的母線與孔中心軸線同向，加工過程中刀軸保持固定角度即可。雖然法蘭孔為通孔，但在編制數(shù)控程序時仍要注意切削時的起始點。由于孔中間余量切除的瞬間中間余料會脫離零件本體，受重力下落，若此時切斷點在法蘭孔下方則會出現(xiàn)余料撞擊刀具的情況，容易導(dǎo)致刀具蹦損零件銑傷的情況出現(xiàn)，因此切斷點必須設(shè)置在法蘭孔的上部。

由于孔在柱面上，因此孔的側(cè)壁邊界為兩個柱面形成的相貫線。這就要求加工程序軌跡如柱面相貫線一樣的空間曲線，如果刀路為平面曲線，則會造成在加工中孔上下兩端先銑通，左右兩側(cè)后銑通。易造成余量脫落時擠壓刀具出現(xiàn)銑傷的風(fēng)險。同時平面曲線的刀路還需要刀具的刃長要大于法蘭孔的徑向最大最小差值。對于直徑300的螺紋孔徑向最大最小差約為7 mm，則銑切刀具的刃長需額外增加7 mm以上，降低了銑刀的剛性。

在充分考慮了加工過程中零件受力、切削過程穩(wěn)定性及安全等因素后，在編制程序時，采用了刀具沿孔邊緣隨形加工的程序軌跡，確保切削過程均勻的同時有效降低刀具刃長需求的增加。還需注意將程序軌跡的起始點設(shè)置在孔上部，確保切斷時余量脫落后向下運動與刀具分離，進而避免零件及刀具損傷的風(fēng)險。

在刀具的選用上，由于法蘭孔加工采用圓周裁切的方式金屬去除量不大，而零件為薄壁結(jié)構(gòu)，大直徑刀具會帶來更大切削力，從而增加加工過程中產(chǎn)品震顫和變形的情況。因此刀具直徑越小越有利于加工過程的穩(wěn)定性。但刀具直徑過小會造成切削線速度過低，影響加工效率，且難以獲得較好的切削表面質(zhì)量。結(jié)合以上因素，最終選用選用直徑φ10 mm、刃長10 mm的鍵槽銑刀。

圖4 曲面數(shù)控加工刀路

4 結(jié)語

通過對筒段蒙皮件的機構(gòu)特征和加工工藝性的分析和研究，制定了針對弱剛性零件的加工方案，并設(shè)計了相應(yīng)的專用裝夾工裝以提高產(chǎn)品的整體剛性來保證加工過程的穩(wěn)定。同時研究分析了銑孔過程中刀具的運動軌跡，規(guī)避了加工中可能出現(xiàn)的加工風(fēng)險，確保加工過程可控，實現(xiàn)了筒段蒙皮件進行高精高效的數(shù)控加工。在生產(chǎn)過程中經(jīng)過數(shù)控加工的實際驗證，本文介紹的數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用成熟，效果顯著，能有效地完成薄壁筒段蒙皮件的加工，精度質(zhì)量滿足下游焊接車間使用要求，也為其他同類型產(chǎn)品的加工提供了寶貴的經(jīng)驗和借鑒的方案。