薄壁長筒類零件加工分析及改進

張凌云

（西安航空職業(yè)技術學院 西安 710089）

隨著我國航空制造技術的發(fā)展，對薄壁長筒零件加工要求越來越高， 尤其是對于零件的表面質量、深腔和薄壁形狀以及零件的加工精度提出了更高的要求。目前歐美許多發(fā)達國家按照高精度、高效率、高柔性的制造發(fā)展方向，已開始普遍使用高速切削機床，并針對薄壁長筒零件結構特點進行了大量的工藝技術研究。另外通過對難加工材料的加工工藝方法進行研究，大大提高了加工效率，使薄壁長筒零件的加工不再成為制約整個制造業(yè)生產的“瓶頸”。

近年來，為了提高我國航空制造業(yè)的整體水平，縮小與國外先進制造技術的差距，我國部分航空主機廠先后從國外引進了少量的高速切削機床。隨著對高速切削技術研究的不斷深入，各航空主機廠在高速切削機床的應用方面取得了一些成果。另外針對先進戰(zhàn)斗機結構零件的加工特點，國內航空企業(yè)在難加工材料的加工技術方面也進行大量的研究工作，零件的加工效率和加工質量和以前相比得到了明顯提高，提高了我國航空工業(yè)乃至整個機械制造行業(yè)的制造技術水平。

目前，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展以及薄壁長筒零件性能和結構的需要，在軍用薄壁長筒零件（尤其是國外先進主力戰(zhàn)斗機）和民用客機的結構設計中，廣泛采用了以薄壁和整體結構為特點的強度設計技術，主要包括整體框、梁、作動筒、肋以及復雜接頭和大型壁板等。由于這些零件加工難度大，而且其價值很高，因而對加工中所涉及的刀具、工裝、切削參數(shù)、變形控制、切削效率等技術都提出了更高的要求。

1 零件結構分析

1.1 結構特點

薄壁長筒零件的形狀結構非常復雜，零件外形多為復雜曲面，薄壁結構、深腔結構件多，這些都給加工造成困難。

1.2 精度要求

由于薄壁長筒零件重量控制方面的要求，使得薄壁長筒零件大量采用多槽腔結構，有的零件從毛坯到成品其金屬去除率高達90%以上，使得加工量非常大；并且薄壁長筒零件中的結構對表面質量及尺寸精度要求也很高。

1.3 材料分析

薄壁長筒零件的材料品種較多，除了常見的金屬材料外，鋁合金、鈦合金、不銹鋼以及各種復合材料等都在使用，給加工造成困難。諸如本課題中提出的30CrMnSiA, 其具有強度高、焊接性能差等特點，調質后有很高的強度和韌性、不易斷屑，導致加工過程中易變形、精度難以保證。

2 工藝分析

2.1 加工難點

1）易受力變形

薄壁工件的表面粗糙度及形位公差要求通常也較高（同軸度在 0.05mm 以內, 普通型環(huán)形件在0.08 ～ 0.10mm 以內）， 在加工過程中, 常因夾緊力、切削力和熱變形的影響而引起變形。直接在三爪卡盤上定位加工難以保證尺寸要求。如圖1 所示。薄壁套筒裝夾在三爪卡盤中產生的變形， 如圖1（a）所示，鏜孔后的形狀如圖1（b） 所示， 套筒從卡盤中取出后, 恢復了原來的外形, 而孔卻變成如圖1（c）所示形狀。

圖1 薄壁工件變形對加工精度的影響

2）易受熱變形

因工件較薄，切削熱易引起工件變形，同時由于鏜削時排屑較困難，特別是鏜深孔時困難更大。

3）易振動變形

在切削力特別是徑向切削力的作用下，容易產生振動而變形，影響工件的尺寸精度、位置精度、形狀和表面粗糙度

2.2 零件加工要點

從加工系統(tǒng)的角度看，切削加工誤差主要取決于零件和刀具切削時的相互位置；從加工工藝的角度看,工件的受力點、剛性和工裝夾具的定位方式也是影響加工質量的關鍵。因此，加工薄壁長筒類工件時,對車床的切削力大小、進刀量、走刀量、工件裝夾方式和機床轉速等因素均十分敏感。

1）減少夾緊力對變形的影響

采用徑向夾緊時, 夾緊力不應集中在工件徑向的截面幾點上, 而應使其分布在較大的面積上， 以減少工件單位面積上所承受的夾緊力。如可將工件安裝在一個適當厚度的開口圓環(huán)中， 再連同此環(huán)一起夾緊，如圖 2（a）所示 。也可采用增大接觸面的特殊卡爪, 如圖2（b）所示。

圖2 夾緊力對變形的影響

夾緊力的位置宜選在零件剛性較強的部位, 以改善在夾緊力作用下薄壁零件的變形。

采取軸向夾緊工件的方法，使用平面頂尖對頂基準外圓進行車削，從而減小其徑向變形。

2）減小切削力對變形的影響

增大刀具主偏角和前角，使加工時刀刃鋒利，以減少徑向切削力。

將粗、精加工分開，使粗加工產生的變形能在精加工中得到糾正，并采取較小的切削用量。

3）減小刀具對變形的影響

加工孔的刀具（鏜刀），刀桿懸伸距離比較大，剛性差， 容易產生振動，在徑向分力作用下，容易發(fā)生“讓刀”現(xiàn)象，影響孔的精度。因此在可能條件下應盡量使刀桿長度縮短，刀桿直徑增大，增加刀桿剛性。

在鏜削時排屑較困難，特別是鏜深孔時困難更大，這就要求鏜刀刃傾角應處于15°～30°，從而使切屑排向已加工面，避免切屑與刀桿干涉， 控制切屑排出方向。

2.3 防止變形工藝措施

（1） 采用工序集中的方法，在一次安裝中，同時加工內外圓及端面，減少工件安裝誤差，保證相互位置精度。內外圓表面同時加工，使切削力抵消。

（2）為了盡量減小變形，加工工序可做適當調整，通過不斷的實踐，針對薄壁長筒類工件，加工工序可采用：熱處理→懸空倒角→平面頂尖對頂基準外圓車削→倒角→車削。

（3）鏜削薄壁長孔是另一大技術難題，直接從一頭鏜到另一頭，會導致很大的變形，因此，加工順序可變?yōu)閺闹虚g向兩頭鏜削，從而盡量減小變形量。

3 零件加工過程分析

如圖3所示的工件，考慮到其薄壁長筒零件的特性，根據(jù)設計要求，下JG70mm×12mm×545mm管料作為毛坯，材料牌號為30CrMnSiA。由于該零件為航空零件，對材料、硬度、表面質量、精度要求較高，所以工件應分粗加工→半精加工→精加工。工件粗加工：采用對頂裝夾零件，車外圓至Φ67mm；用卡盤夾住工件一端，另一端用中心架支承，車端面；取下工件，調頭重新裝夾，車另一頭端面至545mm。由于此時是粗加工，工件壁厚還不薄，且都留有精加工余量，對精度和變形量要求不高，所以直接鏜孔到Φ50；然后對頂裝夾工件，車外圓至Φ61mm、Φ66.5mm、Φ59.5mm、Φ64mm、R1、R4和各長度尺寸；再銑六方至圖紙尺寸。

圖3 薄壁長筒零件

工件粗加工后進行熱處理，保證圓跳動量不大于0.5mm。

工件半精加工：用平面頂尖對頂裝夾工件并找正，車兩邊外圓至Φ60 mm，大外圓至Φ66 mm；取下工件，一端裝上自制開口胎用三爪夾住，另一端用中心架支承在Φ66 mm外圓處，裝上自制鏜孔刀桿，刀桿伸出長度為276～280 mm為宜，將磨好的半精加工刀頭裝到刀桿上，在口部試車對好刀，再將刀桿伸到工件中間275 mm處，掛上走刀，由里向外車，在2～3 mm長度范圍內，將刀具進到直徑Φ51.3 mm，主軸轉速定為230～260 r/min，走刀量選每轉0.13 mm，讓切屑流向里邊，避免與刀桿相抵，造成扎刀，影響表面粗糙度和加工精度。調頭裝夾，用同樣的方法將另一半內孔鏜到Φ51.3mm；待工件充分冷卻后，換上精鏜刀頭，用同樣的方法精鏜內孔到 Φ51.6 mm。裝上端面車刀，平均車兩端面，保證長度尺寸543±0.3 mm，車制內倒角1×60°。取下工件，對頂裝夾，精車各外圓、長度、R到圖紙尺寸，同時車制螺紋 M64×1.5-6g，螺紋每刀吃刀量不大于0.15mm。

內孔磨：將工件 L=42一端螺紋旋入卡盤夾持的胎具中，另一端用中心架支承在Φ58.3外圓處，找正前后外圓，跳動量不大于0.03mm，以保證外圓與內孔的圓柱度要求，通磨內孔至Φ520+0.03，磁力探傷。

表面處理：將內孔、Φ58f7外圓和M64×1.5-6g螺紋端保護，其余外圓進行鍍鎘鈍化、噴漆。

4 結語

薄壁長筒零件具有重量輕、節(jié)約材料、結構緊湊等特點，已日益廣泛地應用在各工業(yè)部門。但薄壁長筒零件的加工是車削中比較棘手的問題，原因是薄壁零件剛性差，強度弱，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質量；對于批量大的生產，充分考慮工藝問題對零件加工質量的影響，對此工件的裝夾、刀具幾何參數(shù)、工藝等方面進行試驗，有效地克服薄壁零件加工過程中出現(xiàn)的變形，保證了加工精度，為今后更好的加工薄壁零件提供了好的依據(jù)及借鑒。