大型薄壁深腔端框零件的車加工工藝分析論文

　　1 引言

　　某新型運載火箭為我國最新研制的大型運載火箭，整體直徑為 5m，該型號關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件衛(wèi)星支架為倒 F 型結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點為：深腔、大傾斜角和薄壁結(jié)構(gòu)等。受其自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點制約，實際加工中存在以下幾個工藝問題：裝夾困難，裝夾位置及壓邊數(shù)量較難選取，裝夾位置、數(shù)量及裝夾方式的選擇會嚴(yán)重影響零件加工精度;易變形，該支架為典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，加工中隨著材料的去除，內(nèi)應(yīng)力及熱應(yīng)力導(dǎo)致變形，且在加工過程中讓刀嚴(yán)重，加工精度難以保證;排屑困難，由于傾斜深槽的存在，切刀傾斜安裝存在困難，并隨著切槽深度的增加，將導(dǎo)致排屑不順暢，以及切屑擠壓已加工型面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形甚至槽底開裂;測量困難，由于設(shè)計所給多個尺寸為尖點尺寸，加工過程中不易測量。本文以該新型運載火箭衛(wèi)星支架為研究對象，根據(jù)該結(jié)構(gòu)件的加工特性，提出了一系列的工藝優(yōu)化方法，并最終在保證設(shè)計精度的前提下實現(xiàn)該零件的加工。

　　2 工藝技術(shù)方案

　　零件材料為鋁鍛件(2219/T852)，零件結(jié)構(gòu)為倒F 型角度框，工藝要求保證內(nèi)徑尺寸為 Φ(5036±0.2)mm，薄壁傾角 56°±15′，壁厚 2mm，整體高度 72mm，槽寬 8mm，深 33mm，槽底存在 R2mm 圓角，外圓圓度要求 0.5mm，端面平面度要求 0.5mm。產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，從中可以看出，該產(chǎn)品主要加工難點在于工件裝夾、排屑、尺寸測量和減小工件變形等方面，進(jìn)而保證產(chǎn)品設(shè)計要求。

　　2.1 零件裝卡

　　為保證零件在加工過程中均勻受力，防止徑向變形，裝卡采用軸向下壓方式。根據(jù)以往加工經(jīng)驗，當(dāng)定位點距離大于 350mm 時，倒壓板后的工件的圓度都會大于 0.25mm，由此可見，只有讓定位點距離小于 350mm ， 才 能 使 變 形 量 不 大 于 公 差 的 一 半(0.2mm)，進(jìn)而保證壁厚公差要求(±0.2mm)及傾斜角度公差要求(±15′)。

　　2.2 刀具選擇

　　根據(jù)零件材料特點，該零件材料具有良好的抗疲勞強度、塑性和韌性，車削時，切屑和刀具表面摩擦力大，容易造成粘刀，且根據(jù)零件加工直徑大、走刀時間長、材料去除量大的特點，刀具需能夠?qū)崿F(xiàn)較大切深，并具有較好的耐磨性。因此，粗車時，選用SANDVIK 的 VCGX-16 04 08-Al 涂層車刀，精車選用手工刃磨的 YW1 硬質(zhì)合金車刀。

　　2.3 刀具裝夾

　　為實現(xiàn)刀具 56°傾斜裝夾，設(shè)計制作了專用小刀架。如圖 2 所示，小刀架設(shè)計成可雙向裝刀，兩側(cè)均設(shè)有壓緊螺釘。正裝時適用于下端框零件(向內(nèi)傾斜槽)的加工，反裝時可作為上端框零件(向外傾斜槽)裝夾車刀使用。

　　3 工藝設(shè)計及實施

　　在分析工件結(jié)構(gòu)及其材料特性的基礎(chǔ)上，為有效控制加工過程中零件變形，制定以下總體工藝方案：粗車→振動時效→半精車→振動時效→精車。通過安排兩次振動時效工序，使應(yīng)力得到充分釋放，材料組織內(nèi)應(yīng)力均勻分布，在后續(xù)加工中保證加工精度。

　　粗車，零件由約 1.5T 毛坯材料車至成品后，約重為 30kg，材料去除量大，零件變形大，粗車過程中留車工藝邊，為后續(xù)工序的大余量去除提供可靠的壓緊方式。粗車采用大余量去除快速車削的方式加工。

　　半精車，在徑向留余量 5mm，高度方向留余量3mm，為方便裝夾，在精車內(nèi)型時留工藝壓邊。同時考慮中間槽壁薄的特點，將粗開槽工序安排在半精車工序。

　　4 加工結(jié)果測量

　　利用本文所提出的加工方法，精車完后在裝卡狀態(tài)下，使用超聲波測厚儀(型號 GL5)，取 48 處位置對壁厚(2±0.2)mm 尺寸進(jìn)行測量，所得數(shù)據(jù)均在2.02～2.15mm 之間，符合公差要求;薄壁的上下位置處厚度差小于 0.05mm，說明本文加工方法對切削過程中的讓刀現(xiàn)象控制的較好;利用機床 X 軸與 Z 軸坐標(biāo)，對斜壁角度精確測量，測量值均在公差要求±15′之內(nèi);用百分表打工件外圓圓度為 0.15mm;其他尺寸及粗糙度也完全符合工藝要求。

　　松開壓板后，用百分表測得自由狀態(tài)平面度為0.12mm，測自由狀態(tài)外圓圓度為 0.9mm，工件變形較小，狀態(tài)理想，各尺寸公差滿足設(shè)計要求。

　　5 結(jié)束語

　　由于新型號產(chǎn)品尺寸大，薄壁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，設(shè)計專用工裝將導(dǎo)致成本大幅增加，利用本文加工方法，可以在不使用專用工裝的情況下完成該復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工，并滿足設(shè)計需求，大量節(jié)省制造成本，并縮短生產(chǎn)周期。通過后期的多次加工，充分驗證了該加工工藝方法的可靠性，加工狀態(tài)穩(wěn)定性和加工精度可控性。

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