薄壁镁合金圆锥波纹喇叭加工技术

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序言圆锥波纹喇叭用于小天体探测器搭载的高增益天线，具有波瓣等化好、交叉极化电平和副瓣电平低等优点，但其型腔复杂、结构刚性差及精度要求高等特点给加工带来很大困难，特别是在加工镁合金材料零件易燃、易腐蚀的情况下[1]，加工难度进一步增加，采用常规加工方法无法保证产品典型尺寸一致性，甚至出现扭曲变形、表面质量差、刚性不足及让刀等问题。因此，通过对圆锥波纹喇叭加工技术的研究来提高零件各内圆槽的加工精度，对整个馈源喇叭天线的生产制造具有极为重要的意义[2]。2

零件分析圆锥波纹喇叭结构如图1所示，零件材料为MB2镁合金，内腔呈抛物线状，由30个波纹槽和30个膜片构成，典型尺寸分别为2.25mm和0.75mm，根部波纹槽最深达17.48mm，尺寸公差均为±0.05mm。可以看出，波纹槽随口径尺寸变小而加深，膜片尺寸也随之变大，0.75mm厚度的膜片最大高度为17.48mm，高厚比达23.3，内部结构刚性极差。采用传统加工方法在切削力的影响下极易导致厚度尺寸超差以及膜片变形，保证每个波纹槽、膜片尺寸精度难度很大。同时加工镁合金材料易燃且易腐蚀，须更换专用切削液，造成加工成本增加和时间浪费，而对于单件小批量零件加工一般不使用切削液，选择干式切削。通过分析零件的结构特点以及结合实际加工经验，总结出以下加工难点。1）典型尺寸多，精度要求高。2）结构刚性差，加工过程易产生振动。3）膜片较薄，让刀现象严重。4）内部为深槽结构，常规刀具无法进行加工，而且深槽加工排屑困难。5）镁合金材料易燃，极易发生化学腐蚀。图1

圆锥波纹喇叭结构针对上述加工难点从刀具设计、“填充式”加工技术应用和过程质量控制三个方面总结和介绍零件的加工方法。3

解决措施3.1刀具设计（1）刀具刚性设计

依据零件的结构特点并考虑加工过程中刀具刚度特性，进行内沟槽刀设计。内沟槽刀由刀头和刀杆两部分构成，根据零件内腔最深波纹槽确定内沟槽刀刀头有效长度，依靠绘图软件确定刀杆与零件内腔干涉边缘，最大程度保证刀杆的加工强度。由于刀头切削深度较长，所以势必会造成刚性差，切削过程易发生振动、让刀现象。虽然高速钢更容易达到较好的锋利程度，但硬度相对低，持续加工刀尖易磨损，且刀具刚性相对差，所以综合考虑刀头选择硬质合金材料。刀杆材料选择40Cr调质钢。（2）刀具参数的选择

由于零件波纹槽切削深度较大，深宽比最高达8左右。因此，对刀具提出很高的要求。刃口宽度过宽会增大切削阻力，加工槽底时会发生振动，造成尺寸公差和表面粗糙度超差；刃口宽度过窄则刀具刚性不足，会出现让刀现象，同样会产生加工振动。通过多次试切，刃口宽度控制在1.8～1.9mm加工效果较好。在加工过程中，应减小切削力及切削热对零件（主要是膜片部位）的变形影响，采用较大前角和后角，保证切削刃锋利，同时将断屑槽设计成大圆弧过渡型，利于排屑。刀头如图2、图3所示。图2

刀头尺寸图3

刀头实物（3）内冷、排屑功能设计

加工过程采用干式切削，依靠高压空气对零件进行冷却并清除切屑。但受波纹喇叭内腔结构限制，高压空气很难到达精准位置，造成冷却效果不佳，而且锋利刃口切削时产生带状切屑无法被及时清除，造成挤压、摩擦等严重后果。考虑以上情况，采用内冷式刀杆，连接压缩空气，实现气流随刀具切削运行轨迹跟进，达到零件内腔冷却的目的，同时带状切屑在高压空气的冲击下形成单元化碎屑，随气流及时排出，降低切屑燃烧风险，加工现场如图4所示。图4

加工现场刀杆中空设计，进气孔安装气动快速接头，计算好出气孔角度，使高压空气能直接到达切削刃加工区域。气流轨迹如图5所示。图5

气流轨迹结论：通过自制非常规刀具，实现刀具刚性、锋利程度最大化，避免加工振动与让刀现象，降低切削应力对零件变形影响。内冷、排屑功能设计，解决切削热引起零件热变形问题，同时降低切屑对膜片挤压变形风险及燃烧风险，对保证零件高精度加工产生积极影响。3.2“填充式”加工技术应用（1）加工方法的确定

在研制过程中，采用3种传统加工方式进行试切，即在不使用辅助支撑的情况下，通过变换加工思路、控制精车余量大小、优化刀具角度及调节切削参数等方法进行加工。具体方法实施如下。1）第一种：双面余量切削法（见图6）。选用刀宽为1.9mm内沟槽刀对30个波纹槽进行半精车，膜片留有0.17mm左右精车余量（此时膜片厚度刚性较好，未发生变形情况），后采用刀宽为2.25mm内沟槽刀将余量去除，依靠槽刀宽度保证波纹槽尺寸。图6

双面余量切削法2）第二种：成形加工法（见图7）。基于半精车时采用刀宽1.9mm内沟槽刀加工波纹槽膜片未变形的经验，选用2.25mm刀宽槽刀，膜片不留精车余量，直接将波纹槽加工至尺寸。图7

成形加工法3）第三种：单面余量切削法（见图8）。选用刀宽为1.9mm内沟槽刀对波纹槽半精车，同样膜片留有0.17mm左右精车余量，采用刀宽为1.8mm内沟槽刀对膜片的单面进行精车加工。图8

单面余量切削法加工效果及变形因素分析见表1。表1

加工效果及变形因素分析结论：经过3种方法试切加工发现，双面余量切削法、成形加工法两种方法均出现膜片严重扭曲变形现象，而且没有任何改善措施的可能，排除这两种加工方法。而第三种单面余量切削法由于膜片刚性差，当刀具在切削过程中膜片不足以承受切削力而发生变形时，随切削深度增加，变形情况越来越严重，但未发生扭曲变形。因此，应当在单面余量切削法的基础上，增加辅助支撑（填充材料）来加强膜片刚性。（2）“填充式”加工技术原理

“填充式”加工技术的原理是将低熔点物质熔化后填充在零件非加工区域，待该物质冷却后，使零件形成一个刚性实体，对待加工面起到辅助支撑作用，从而提高零件结构刚性，改善切削性能，加工完成后再将填充物熔化分离[3]。此方法适用于结构复杂、刚性差的异形薄壁零件，能有效降低加工难度。（3）填充材料的选择

具体如下。1）填充材料的性能要求。选择填充物需要在性能上满足以下要求：①具有良好的可结合性和可脱离性。可结合性是指填充物在常温固化时与零件之间具有良好的结合力；可脱离性是指熔化或溶解后的填充物不会残留在零件表面而影响表面质量。②填充材料不能与MB2镁合金材料发生化学反应。③较低的熔点。较低的熔点便于实现填充物的状态变化（固态变为液态），完成填充过程，同时避免零件基体在高温状态下引起材料状态的变化，同时减小零件的热变形。④具有良好的切削性能。2）填充材料的确定。常用的填充材料有低熔点合金、铅、锡及树脂等[5]，但这些都不适合镁合金材料零件的机械加工。如以铋元素为主的低熔点合金熔点在70～80℃，但在去除时需将整个零件浸入开水中，使低温合金熔化脱落，而镁合金材料与水极易发生化学反应，腐蚀加工表面。铅、锡熔点太高，填充时操作困难，且高温下容易使零件发生热变形，甚至会使材料状态发生变化。树脂熔点较低，但软化状态下的树脂流动性不强，不容易进入腔体内部，而且固化后树脂硬而脆，与金属的结合力不足。基于以上填充材料性能，并经过试验验证，最终选定石蜡作为填充材料。石蜡是从石油、页岩油等提取出来的一种烃类混合物，主要成分为固体烷烃，熔点在47～64℃，是很常见的化工、生活用品，价格低廉。另外石蜡可结合性、可脱离性和可切削性良好，且化学活性较低，不与MB2镁合金材料发生化学反应。（4）浇注的实施

作为填充材料石蜡可操作性强。将石蜡（见图9）加热至液态备用，浇注前用无水酒精将零件内腔清洗干净，后将零件稍微预热，避免因温差过大造成结合力不足。在波纹喇叭小口径处做密封工装，小口径朝下进行浇灌，需要注意的是浇注过程要不断晃动零件，将内腔气体排出。完成浇注后，常温下待石蜡冷却，以免快速冷却因粘结力不强造成石蜡脱落，灌蜡前后如图10、图11所示。图9

颗粒固态石蜡图10

零件灌蜡前图11

零件灌蜡后（5）残余物清洗

加工完成后，石蜡会以几近粉末状态夹杂镁合金碎屑粘附在已加工表面，采用开水冲洗常规方法会导致零件腐蚀，高压空气的作用也很小。因此，多余物的清除也是该加工方法关注的重点问题。汽油具有溶解石蜡的物理特性，经常作为清洗剂来清洗精密零件。通过验证，汽油对镁合金材料零件不存在腐蚀现象，这就可以很好地解决多余物清除的问题。清洗前后效果如图12～图14所示。图12

清洗前图13

清洗中图14

清洗后实际操作中，选择航空汽油清洗介质，将零件完全浸泡在汽油中，保证浸泡时间60min以上，待蜡完全溶解后，更换汽油进行二次清洗。最后使用超声波设备在无水乙醇清洗介质中浸泡清洗。清洗步骤如图15所示。图15

清洗步骤结论：零件灌蜡凝固后形成刚性实体，膜片与膜片之间形成辅助支撑，使刀具始终在足够刚性下进行切削，有效解决膜片刚性不足的难题，而石蜡作为阻尼材料，能有效降低切削振动，为多典型尺寸高精度车削提供有力保障。同时，由于石蜡的物理特性和化学特性，在填充、去除过程中既满足了刚性条件，又保证了不与镁合金发生化学反应。4

过程质量控制4.1加工基准统一单面余量切削法是将膜片右侧统一加工至尺寸后，再统一加工左侧，单面精车膜片余量时，相邻侧波纹槽充满固态蜡，始终保证膜片在切削过程中具有足够刚性。因此，加工过程需要进行两次灌蜡精车。而重复装夹会出现定位误差，造成接刀、几何精度和尺寸精度超差等质量问题。加工时，利用工艺夹头轴向定位面实现轴向定位，将内腔加工基准转换到外径基准面上，通过打表找正工艺基准面实现两次灌蜡精车的基准统一（见图16）。图16

实现基准统一4.2检测基准转换受零件内腔结构限制，无法对波纹槽槽底在线检测，尺寸精度难以保证。加工过程中，通过合理安排走刀路线，使用一把精车刀同时将槽底和槽顶加工完成。膜片右、左侧精加工走刀路线如图17、图18所示。图17

膜片右侧精加工走刀路线图18

膜片左侧精加工走刀路线该方法的优点在于槽底加工状况（包括尺寸精度、表面粗糙度）直接反映到可视可测的槽顶上，只需测量槽顶尺寸就能判断出槽底精度。通过转换测量基准实现内腔尺寸的加工检测，实现对多典型尺寸的质量控制。5

加工效果通过检测的最终结果可知，膜片厚度、波纹槽宽度尺寸一致性良好，表面质量较好，无腐蚀，满足图样技术要求。通过刀具设计、“填充式”加工方法的应用和加工过程质量控制，实现了对薄壁镁合金圆锥波纹喇叭“填充-加工-清洗”全过程质量控制，达到了预期的加工效果。6

结束语在镁合金圆锥波纹喇叭研制过程中，通过刀具结构设计、刀具参数选择及内冷、排屑功能刀具的应用，降低了刀具刚性、切削力、切削热及切屑对零件加工精度的影响。通过对比分析3种不同