新結(jié)構(gòu)薄壁密封機(jī)匣加工技術(shù)研究

孫穎

摘 要：某研制發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)方案中介單元體密封機(jī)匣是一種全新結(jié)構(gòu)的機(jī)匣零件，該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度高，壁薄，沒有可借鑒的加工經(jīng)驗(yàn)。通過對該機(jī)匣設(shè)計(jì)圖紙的全面分析，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，派制專用工裝、刀具，制定出一套合理的加工工藝，以滿足設(shè)計(jì)圖紙及裝機(jī)要求，控制零件變形，解決新結(jié)構(gòu)機(jī)匣沒有成熟加工工藝的問題。

關(guān)鍵詞：密封機(jī)匣；變形控制；加工工藝

引言

某研制發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)方案中介單元體密封機(jī)匣是一種全新結(jié)構(gòu)的機(jī)匣零件，該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度高，壁薄，沒有可借鑒的加工經(jīng)驗(yàn)，需要有工藝性符合的設(shè)計(jì)圖、合理的工藝路線、高效的數(shù)控方案、有效的工裝方案以及現(xiàn)場問題的快速解決，最終要達(dá)到零件所有機(jī)加尺寸及技術(shù)條件一次加工合格的目的。

一、存在問題

密封機(jī)匣屬于大型薄壁環(huán)形機(jī)匣，加工系統(tǒng)穩(wěn)定性差，零件前端為薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，需安排車加工進(jìn)行。后端外環(huán)有9種，共16處不同結(jié)構(gòu)的徑向凸臺(tái)特征，內(nèi)環(huán)有2種，共3處不均勻布的平面，零件內(nèi)環(huán)車銑轉(zhuǎn)接位置必然存在接刀，但圖紙對該位置并未允許接刀。為解決上述問題，需要從工藝方案制定、數(shù)控方案制定、工裝方案制定幾方面著手進(jìn)行驗(yàn)證。

二、技術(shù)方案

（一）工藝路線制定

為保證零件得以順利加工，安排工藝路線時(shí)，需考慮加工系統(tǒng)穩(wěn)定性、測量方法合理性等方面。因?yàn)榱慵剞D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、徑向凸臺(tái)、徑向精密孔、端面孔等特征，基于該工藝框架，考慮零件結(jié)構(gòu)、尺寸特點(diǎn)，對上述總體路線進(jìn)行細(xì)化、調(diào)整、優(yōu)化。從余量圖出發(fā)豐富工藝路線，零件材料采用鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)和腐蝕檢查處理，均需預(yù)留足夠的余量。與毛料部門協(xié)調(diào)后，毛料在投料前進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，可減少加工余量和生產(chǎn)周期，最終零件余量定為5mm。零件內(nèi)外環(huán)均存在凸臺(tái)特征，內(nèi)環(huán)車銑加工余量均超過30mm，外環(huán)車銑加工余量均超過20mm。為減少精加工時(shí)余量，防止因下削量大導(dǎo)致的變形，將車加工、銑加工均分為粗、精加工，并在精加工前送穩(wěn)定處理消除應(yīng)力[1]，豐富工藝路線后為：粗車—粗銑—半精車—腐蝕檢查—穩(wěn)定處理—精車—精銑—鏜孔。

對工藝路線進(jìn)一步優(yōu)化：零件前端為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不需進(jìn)行銑加工，因此在粗車后，將形成“前輕后重”的結(jié)構(gòu)，為避免零件質(zhì)量分布不均而造成的裝夾不穩(wěn)定、加工有風(fēng)險(xiǎn)的情況，需調(diào)整前后端的粗加工順序；零件粗銑后已形成凸臺(tái)特征，但并未產(chǎn)生角向孔，對后續(xù)的加工找正及測量均存在極大問題，因此需在粗銑前增加鏜角向孔工序；零件后端直徑為精配合尺寸（公差0.09mm），在零件剛性差、易變形的情況下，將精車后端安排至最后一道車加工工序，減少該尺寸超差的風(fēng)險(xiǎn)；將加工過程中去毛刺、修基準(zhǔn)等工序安排在合適位置，制定完整的工藝路線?？紤]在實(shí)際加工過程中，角向孔在精鏜端面孔工序修復(fù)后，在精銑內(nèi)型面工序才會(huì)起到作用，且兩道工序的裝夾狀態(tài)一致，最終合并上述兩工序，減少周轉(zhuǎn)和二次裝夾時(shí)間，縮短加工周期。

（二）數(shù)控方案制定

1.內(nèi)型面粗加工方案

由于零件內(nèi)型面直徑大，因此除立式加工外，還可選用臥式加工方案。

（1）立式加工方案分析。刀具選擇：φ40mm玉米銑刀，要求懸長不小于250mm；程序編制：由于徑向切削深度為33mm<φ40mm，只需編制一條程序；加工時(shí)間：由于刀具懸長過大，加工剛性差，每次進(jìn)刀量1mm，預(yù)計(jì)加工時(shí)間約8900min。

（2）臥式加工分析。刀具選擇：φ20mm合金銑刀，要求懸長不小于33mm；程序編制：大部分使用機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)加工，需編制8條程序加工不同位置；加工時(shí)間：刀具懸長小，剛性相對較高，軸向每次步距為10mm，預(yù)計(jì)時(shí)間約5700min。為保證零件加工穩(wěn)定性，保證質(zhì)量的同時(shí)提高零件加工效率，最終采用臥式加工方案。

2.外型面粗加工方案

零件外型面最初采用常規(guī)的分層銑加工。使用刀具端刃部分切削，軸向只需11層刀路。實(shí)際加工過程中發(fā)現(xiàn)該加工方案效率低，零件外型面共有9段曲面，加工第1段曲面時(shí)，實(shí)際每層切削時(shí)間需40min，共12層，總切削時(shí)間480min，消耗φ20mmR1mm銑刀共4把。而其他段曲面位置的下削量約為第1段曲面位置下削量的2倍～3倍，預(yù)計(jì)還需加工480min／段×8段×2倍＝7680min，還需消耗φ20mmR1mm銑刀4把／段×8段×2倍＝64把。不但加工后的表面質(zhì)量差，而且嚴(yán)重影響零件加工周期。

為提高零件加工效率和質(zhì)量，同時(shí)減少零件刀具消耗，研究使用先進(jìn)的擺線銑加工方案進(jìn)行后續(xù)加工。使用φ20mmR1mm銑刀側(cè)刃部分切削，一次加工到位，無需分層，有效利用刀具壽命。雖然每刀下削量小，但切削速度得到極大提高（由F=100mm/min提高至F=500mm/min）。加工方案改進(jìn)后，剩余曲面實(shí)際切削時(shí)間約1300min，共消耗φ20mmR1mm刀具15把。且加工后零件表面質(zhì)量得到了顯著的提高。

3.內(nèi)型面精加工方案

內(nèi)型面底部位置的 R 圓角為R5mm與R1mm圓角的轉(zhuǎn)接，由于零件深度大，深度超過240mm，且R5mm圓角尺寸小，若派制專用φ10mmR1mm長銑刀，在裝夾時(shí)可能出現(xiàn)刀具不穩(wěn)的情況，碰傷零件內(nèi)壁。

為符合設(shè)計(jì)圖尺寸，同時(shí)保證零件質(zhì)量，確定內(nèi)型面精加工采用臥式加工，方案如下：

（1）由于加工面為零件內(nèi)直徑，若走刀沿零件軸向進(jìn)給，將出現(xiàn)殘留，加工后表面將出現(xiàn)明顯接刀，因此使用φ20mm銑刀臥式沿圓周方向加工，為提高零件加工質(zhì)量。

（2）為保證零件底部安裝邊尺寸，并減少接刀，加工內(nèi)壁時(shí)在底部留0.5mm余量，最后使用球銑刀將安裝邊厚度一次銑加工合格。

（3）為保證零件底部轉(zhuǎn)接圓角加工合格，在生產(chǎn)車間工具室找到一特殊銑刀，刀長超過300mm，可防止加工時(shí)刀柄與零件碰撞，對圓角處進(jìn)行清根，保證零件尺寸。

4.外型面精加工方案

加工外型面時(shí)，零件薄壁特征已經(jīng)出現(xiàn)，首先考慮對稱銑加工的可行性，分析零件結(jié)構(gòu)為左右對稱、上下不對稱的特殊結(jié)構(gòu)。若使用對稱銑加工的方式，零件下方受力將與其他位置不一致，可能導(dǎo)致零件在豎直方向變形過大。

5.徑向孔加工方案

密封機(jī)匣為裝配在中介機(jī)匣外的結(jié)構(gòu)，因此其徑向孔的位置與中介機(jī)匣徑向孔的位置完全一致，與常規(guī)中介機(jī)匣徑向孔的位置一致，可采用銑加工、倒角、鏜孔的順序進(jìn)行加工。與中介機(jī)匣外環(huán)結(jié)構(gòu)不同的是，密封機(jī)匣左右與中介機(jī)匣主安裝節(jié)裝配處，存在一處密封槽結(jié)構(gòu)。但中介機(jī)匣內(nèi)環(huán)也存在類似密封槽，因此可使用中介機(jī)匣使用的 T 型銑刀分兩層加工。

6.端面孔加工方案

零件前端面孔為均布排列，后端面孔為對稱排列，均為常規(guī)自由公差，且位置度均為φ0.2mm，可采用常規(guī)鉆孔加工。

（三）工裝方案制定

1.針對設(shè)計(jì)圖難加工尺寸制定專用工裝

密封槽外部尖邊設(shè)計(jì)為倒圓角，機(jī)匣廠原本無該形狀的專用刀具，且設(shè)計(jì)未同意將此處改為倒角。為減輕該圓角加工難度，派制專用倒圓刀，可同時(shí)對正反倒圓進(jìn)行加工，節(jié)省加工時(shí)間。

2.針對加工系統(tǒng)穩(wěn)定性制定專用工裝

零件總高約246mm，銑加工外型面時(shí)，壁厚在3mm～9mm，裝夾壓緊位置始終為零件下安裝邊，加工位置位于零件上方。因此，無論使用常規(guī)分層銑加工，還是擺線銑的加工方法，都會(huì)在徑向?qū)α慵a(chǎn)生作用力，從而導(dǎo)致零件向內(nèi)產(chǎn)生變形。針對零件變形特點(diǎn)，自設(shè)專用工裝，將工裝裝配在零件懸空的止口部分，提高零件加工時(shí)上半部的剛性，減少零件變形[2]。

三、現(xiàn)場驗(yàn)證

（一）零件粗銑外型面發(fā)生刀具斷裂現(xiàn)象

零件粗加工外型面時(shí)，采用擺線銑的加工方式，加工時(shí)刀具發(fā)生斷裂。

對比其他零件擺線銑程序，分析刀具斷裂的原因：第一，由于進(jìn)給速度與每層切深均經(jīng)過其他零件的加工驗(yàn)證，因此可排除切削參數(shù)的原因； 第二，加工設(shè)備為新驗(yàn)收的加工中心，因此可基本排除設(shè)備原因?qū)е碌牡毒邤嗔?；第三，分析密封機(jī)匣實(shí)際切削狀態(tài)與其他零件加工驗(yàn)證時(shí)的差別，發(fā)現(xiàn)密封機(jī)匣加工所用的銑刀均為反磨銑刀，表面已不存在涂層，因此刀具強(qiáng)度不夠，在加工至底部時(shí)發(fā)生斷裂。制定解決方案：為減少刀具加工至底部時(shí)的受力，降低加工至底部時(shí)的進(jìn)給速度至F=50mm/min，可解決零件打刀現(xiàn)象。

后續(xù)問題處理：調(diào)整進(jìn)給速度解決斷刀現(xiàn)象后，發(fā)現(xiàn)零件實(shí)際加工時(shí)間出現(xiàn)極大增加，不利于零件按時(shí)交付，且進(jìn)給速度改變后，零件底部出現(xiàn)振紋，質(zhì)量降低。為解決零件加工時(shí)間長、質(zhì)量差的問題，經(jīng)研究后提出解決方案，在加工位置沿周邊開槽，從根本上解決刀具加工至底部受力過大的問題，使零件全刀路高速進(jìn)給，提高零件加工效率和質(zhì)量。

（二）鋁盤資源緊張，自設(shè)工裝未回

自設(shè)工裝直徑要求φ910mm，零件加工至外型面前，現(xiàn)場未找到可用的直徑大于φ910mm的鋁盤，導(dǎo)致零件加工時(shí)無法使用自設(shè)工裝。

由于該自設(shè)工裝的作用是提高零件加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少零件變形的可能性，因此在上述情況下，為提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性，尋找額外的8塊墊鐵及壓板，使用16處壓緊的方式進(jìn)行裝夾，提高了零件裝夾強(qiáng)度，在一定程度上減少了零件加工變形。

（三）型面精銑加工驗(yàn)證

零件型面比較復(fù)雜，粗銑之后工藝要求進(jìn)行腐蝕檢查，由于腐蝕檢查要求比較嚴(yán)格，外型面表面粗糙度要求至少為Ra3.2，對于此零件外型面加工余量較大，正常粗加工之后很難保證腐蝕檢查要求。對零件加工程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，零件粗加工工步使用機(jī)夾刀應(yīng)用對稱銑、分層銑等方式控制零件狀態(tài)并去除大部分余量，留0.3mm余量用于精加工。增加精加工工步使用整體合金銑刀往復(fù)加工，并提高殘余高度值至0.005mm，以保證零件表面粗糙度，針對局部轉(zhuǎn)接 R 位置增加銑加工程序。控制零件表面質(zhì)量，保證腐蝕檢查工序要求。

分析零件結(jié)構(gòu)及易出現(xiàn)毛、接刀位置，通過優(yōu)化數(shù)控程序，對關(guān)鍵位置、空間狹小、毛刺較多的位置使用球刀沿型面反復(fù)加工去除尖邊、毛刺、接刀痕，盡可能減少鉗工工作，保證零件表面質(zhì)量。零件型面復(fù)雜區(qū)域表面質(zhì)量得到了有效的改善。加工過程中選用加工精度較高且可安裝動(dòng)力彎頭的四坐標(biāo)立臥轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行加工，外型面使用臥式方式進(jìn)行加工，內(nèi)型面使用立式配置動(dòng)力頭進(jìn)行加工，保證內(nèi)外型面一次裝夾加工。

零件端面孔加工精度要求較高，位置度為φ0.03mm，且為多處均布無法整除，普通的循環(huán)程序存在較大的累計(jì)誤差，加工到最后時(shí)很難保證φ0.03mm的位置度，而不使用循環(huán)程序逐個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行加工程序量太大，且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，無法滿足零件加工需求。改變零件的編程方式，在數(shù)控程序中對加工點(diǎn)位引入函數(shù)計(jì)算公式的方式，點(diǎn)位都是通過精確計(jì)算的方式進(jìn)行選擇，每一次循環(huán)都進(jìn)行重新計(jì)算，不會(huì)造成多次循環(huán)后的累計(jì)誤差，編程效率也得到提高并保證了零件的加工質(zhì)量及裝配要求。

四、試驗(yàn)結(jié)論

1.對于難以找正角向的加工特征，應(yīng)在角向特征出現(xiàn)前，以角向孔或劃線的方式確定角向，便于后續(xù)加工和測量。

2.對于零件軸向質(zhì)量差別大的零件，安排工藝路線應(yīng)盡量保持零件質(zhì)量大端始終作為定位面。

3.臥式銑加工零件內(nèi)圓弧時(shí)，應(yīng)沿圓周方向走刀，可提高零件加工后的表面質(zhì)量。

4.對于薄壁易變形零件，在設(shè)計(jì)允許限位測量的前提下，精密尺寸應(yīng)盡量放在工序中提檢。

5.由于密封機(jī)匣的角向孔在穩(wěn)定處理后，初次產(chǎn)生作用是精銑內(nèi)型面，且修復(fù)角向孔與精銑內(nèi)型面的裝夾狀態(tài)一致，因此兩個(gè)加工內(nèi)容可以合并加工，減少周轉(zhuǎn)周期。

6.凡是切削深度大、下削量大的粗加工部位，均可嘗試使用擺線銑的方式進(jìn)行加工。可大幅降低刀具消耗，同時(shí)提高加工效率。

7.對于薄壁易變形零件，可自設(shè)工裝，在加工時(shí)卡在剛性差的止口位置，提高零件剛性，從而減少零件變形。

總結(jié)

經(jīng)過現(xiàn)場研制，通過合理協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)問題、安排工藝路線、優(yōu)化數(shù)控程序、派制非標(biāo)刀具，保證了零件合格交付?？偨Y(jié)了薄壁零件的加工經(jīng)驗(yàn)，可推廣到后續(xù)類似零件的研制過程中。零件滿足了設(shè)計(jì)圖紙及裝機(jī)要求，控制了零件變形，合格交付。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐亞彬.基于有限元分析的薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]齊永興，徐朋，孫衛(wèi)峰. 薄壁工件裝夾穩(wěn)定性研究[J].機(jī)械管理開發(fā)。2019（01）：80-82