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        大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件的車削加工

        2022-10-27 00:57:44師占根龐學(xué)豐胡曉光師博文
        金屬加工(冷加工) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:變形產(chǎn)品

        師占根,龐學(xué)豐,胡曉光,師博文

        天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458

        山東大學(xué) 山東濟(jì)南 250100

        1 序言

        宇航產(chǎn)品中大量采用大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件,此類產(chǎn)品存在零件尺寸大、壁薄、加工剛度差、易變形、裝夾困難及切削加工過程振動等問題,導(dǎo)致零件表面質(zhì)量控制難度大、加工效率低[1]。

        本文所述型號關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:錐度大、錐面長和壁薄等。受其自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制約,實際加工中存在以下幾方面加工難題:①裝夾困難,定位基準(zhǔn)、裝夾方式及裝夾位置的選擇嚴(yán)重影響零件的加工精度。②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,且在加工過程中振刀嚴(yán)重。③加工過程中易產(chǎn)生雙曲線誤差,加工精度和效率難以保證。根據(jù)該結(jié)構(gòu)件的加工特性,通過設(shè)計專用內(nèi)外型定位工裝,改進(jìn)零件加工方法,優(yōu)化切削參數(shù),有效突破中大型薄壁結(jié)構(gòu)件的加工瓶頸,并實現(xiàn)批量生產(chǎn)[2,3]。

        2 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        2.1 尺寸參數(shù)

        零件材料為鑄造鋁合金(Z L205-T6),工藝要求小端直徑(329±0.05)mm,大端直徑(813±0.05)mm,大薄壁傾角26°2′,壁厚(3±0.05)mm,整體高度(587±0.05)mm,B端面平面度0.1mm。零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 零件結(jié)構(gòu)

        2.2 加工難點(diǎn)及解決方案

        1)針對大錐角薄壁結(jié)構(gòu),設(shè)計專用內(nèi)形加工支架、外形加工內(nèi)錐胎(見圖2、圖3),有效增強(qiáng)產(chǎn)品加工過程中的剛度。采用該定位裝夾方案確保產(chǎn)品定位精度高、裝夾可靠且夾緊力導(dǎo)致的變形最小。

        圖2 內(nèi)形加工支架

        圖3 外形加工內(nèi)錐胎

        2)針對產(chǎn)品應(yīng)力變形問題,合理改進(jìn)加工工藝步驟,使加工中材料應(yīng)力充分釋放。優(yōu)化加工切削用量,降低切削力和切削溫度,控制產(chǎn)品變形,進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計要求。

        3)提高圓度變形控制、壁厚精度控制及尺寸測量精度等,從而提高產(chǎn)品加工精度的穩(wěn)定性,實現(xiàn)定型批量化生產(chǎn)。

        3 零件裝夾

        3.1 專用支撐架配合軸向壓緊裝夾

        為保證零件在加工過程中均勻受力,防止徑向變形,裝夾采用軸向壓緊方式。通過設(shè)計專用的支撐架配合頂蓋板、中心拉桿,實現(xiàn)Z軸定位及不完全定位。加工大端端面、芯腔內(nèi)錐度面。第一步加蓋板車削加工大端面,第二步采用三點(diǎn)定位法,內(nèi)形加工支架均布安裝3個壓板,Z軸壓住大端面B面,車削加工內(nèi)錐面C面。基準(zhǔn)面A面平面度必須達(dá)到產(chǎn)品平面度公差值的一半(0.05mm),進(jìn)而保證內(nèi)錐度面圓度要求(813±0.05)mm,壁厚公差要求±0.05mm,以及傾斜角度公差要求26.2°±2′。

        該定位裝夾方案利用中大型薄壁產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)作為加工基準(zhǔn),做到基準(zhǔn)統(tǒng)一,提高了加工基準(zhǔn)的可靠性和精度。有效解決了中大型薄壁類零件沒有可靠定位基準(zhǔn)、裝夾固定點(diǎn)的難題。專用支撐架配合軸向壓緊裝夾方式如圖4所示。

        圖4 專用支撐架配合軸向壓緊裝夾

        3.2 外錐面裝夾

        零件內(nèi)錐面加工完成后產(chǎn)品的夾持剛度被嚴(yán)重削弱,加工外錐面D面裝夾時極易產(chǎn)生夾緊力變形,引起工件圓度過度變化以及加工振動。為此,采用內(nèi)圓錐形心軸定位加Z向壓緊的方案,提高工件定位精度、夾持剛度,使工件圓度在裝夾狀態(tài)下保持0.03mm以內(nèi),滿足設(shè)計需求。該定位方法不僅增強(qiáng)了內(nèi)外錐面同軸度、產(chǎn)品剛度和切削過程的穩(wěn)定性,而且降低了車削過程中切削變形。切削熱傳遞快,降低了切削熱對產(chǎn)品尺寸及幾何精度的影響,大幅度提升了裝夾效率。外錐面裝夾方式如圖5所示。

        圖5 外錐面裝夾

        3.3 產(chǎn)品找正及測量

        產(chǎn)品內(nèi)外錐面加工完成后,大端與工作臺貼合,以小端外徑為基準(zhǔn)打表,同軸度控制在φ0.03mm以內(nèi),找正產(chǎn)品,同時檢查大端平面,平面度達(dá)到0.02mm以內(nèi)。采用三點(diǎn)壓緊的固定方法加工內(nèi)圓φ(329±0.05)mm配合面。由于產(chǎn)品大端環(huán)形平面B面最大直徑為950mm,產(chǎn)品高度達(dá)到587mm,環(huán)形平面B面寬度僅51mm,所以壓緊后B面平面度對所加工的圓度影響較大。大端B面平面度及小端圓度變化趨勢如圖6所示。

        圖6 大端B面平面度及小端圓度變化趨勢

        4 刀具選擇

        產(chǎn)品材料為鑄造鋁合金ZL205-T6,該材料具有良好的抗疲勞強(qiáng)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。此外由于零件加工直徑大、走刀時間長及材料去除量大等特點(diǎn),要求加工刀具必需能夠?qū)崿F(xiàn)較大切削深度,并具有較好的耐磨性,因此,精車時,選用KYOCERA品牌SDJER3232 DEG150404R車刀,較大刀尖圓弧半徑可增強(qiáng)刀具壽命。刀具型號及切削參數(shù)見表1。

        表1 刀具型號及切削參數(shù)

        5 加工方案

        通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料特性進(jìn)行分析,為有效控制加工過程中零件變形,制定加工方案:粗車→時效→半精車→時效→精車。通過安排兩次時效工序,使應(yīng)力得到充分釋放,材料組織內(nèi)應(yīng)力、加工應(yīng)力充分釋放。半精車完成后,在內(nèi)外徑向留余量0.75mm,高度方向留余量2mm。

        精加工路線采用先內(nèi)后外加工、兩次加工基準(zhǔn)面B面的方案為:(利用支架為定位基準(zhǔn))精車B面→精車C面(B面留余量0.3mm)→調(diào)頭(利用錐度芯胎為定位基準(zhǔn))→精車D面、A面到圖樣要求尺寸精度→調(diào)頭→精車B面(提高定位基準(zhǔn)精度達(dá)到0.05mm以內(nèi))→調(diào)頭加工小端內(nèi)圓φ(329±0.05)mm(B面為基準(zhǔn))。

        6 車削內(nèi)外錐面時產(chǎn)生雙曲線誤差分析

        車削時產(chǎn)品圓錐面大小端直徑相差572mm,Z軸行程長、圓錐面面積大。錐面產(chǎn)生雙曲線誤差非常嚴(yán)重。車刀刀尖偏移中心旋轉(zhuǎn),使刀尖移動的直線軌跡不與圓錐體的母線重合(見圖7),產(chǎn)生雙曲線誤差加工的內(nèi)外圓錐體是旋轉(zhuǎn)雙曲線曲面(見圖8)。產(chǎn)品的錐面直線度和錐度角要求非常高,為26.2°±2′,必須最大限度控制雙曲線的產(chǎn)生。兩平行曲面切割一個錐形曲面,相交形成雙曲線交線,公式為

        式中,y是Z軸(長度)方向值(mm);x是X軸(直徑)方向值(mm);a是產(chǎn)品錐度(°);k是兩曲面之間的距離(刀尖與旋轉(zhuǎn)中心的距離,mm)。

        平行曲面之間垂直距離(其中一曲面通過回轉(zhuǎn)中心)產(chǎn)生的最大雙曲線誤差即為產(chǎn)品內(nèi)錐面直線度誤差,產(chǎn)品技術(shù)要求<0.03mm。

        通過計算加工該內(nèi)外錐面時Z軸行程、圓錐面面積,得出車刀刀尖必須與錐體旋轉(zhuǎn)中心等高,刀尖移動的直線軌跡必須與圓錐體的母線重合,刀尖高度和旋轉(zhuǎn)中心的誤差不能>0.08mm。

        精車錐體壁厚度2.96~3.05mm,符合公差要求,產(chǎn)品錐壁的上下位置處厚度差<0.05mm。利用三坐標(biāo)測量內(nèi)外圓φ(329±0.05)mm,圓度均<0.08mm,錐面直線度均<0.03mm,錐面角度測量值均在公差要求±2′之內(nèi),錐面雙曲線誤差得到有效控制。

        圖7 刀尖移動的直線軌跡不與圓錐體的母線重合

        圖8 旋轉(zhuǎn)雙曲線曲面

        7 結(jié)束語

        通過改進(jìn)大錐度薄壁結(jié)構(gòu)件的車削工裝、創(chuàng)新加工方案及調(diào)整切削參數(shù),完成了多型號薄壁錐殼體的加工,加工精度穩(wěn)定,完全滿足設(shè)計需求,節(jié)省了大量制造成本,縮短了生產(chǎn)周期,并且實現(xiàn)了產(chǎn)品的批量生產(chǎn)工藝定型。

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