大锥度薄壁结构件的车削加工

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序言宇航产品中大量采用大锥度薄壁结构件，此类产品存在零件尺寸大、壁薄、加工刚度差、易变形、装夹困难及切削加工过程振动等问题，导致零件表面质量控制难度大、加工效率低。本文所述型号关键结构件结构特点为：锥度大、锥面长和壁薄等。受其自身复杂的结构特点的制约，实际加工中存在以下几方面加工难题：①装夹困难，定位基准、装夹方式及装夹位置的选择严重影响零件的加工精度。②易变形，该支架为典型的薄壁结构件，加工中随着材料的去除，内应力及热应力导致变形，且在加工过程中振刀严重。③加工过程中易产生双曲线误差，加工精度和效率难以保证。根据该结构件的加工特性，通过设计专用内外型定位工装，改进零件工艺加工方法，优化切削参数，有效突破中大型薄壁结构件的加工瓶颈，并实现该零件批量生产。2

零件的结构特点2.1产品尺寸参数零件材料为铸造铝合金（ZL205\T6），工艺要求小端直径（329±0.05）mm，大端直径（813±0.05）mm，大薄壁倾角26°2′，壁厚（3±0.05）mm，整体高度（587±0.05）mm，B端面平面度要求0.1mm。产品结构如图1所示。a）三维结构

b）尺寸结构图1零件结构2.2产品加工难点及解决方案1）针对大锥角薄壁结构，设计专用内形加工支架、外形加工内锥胎（见图2、图3），有效增强产品加工过程中的刚度。采用该定位装夹方案确保产品定位精度高、装夹可靠、夹紧力导致的变形最小化。图2

內形加工支架图3

外形加工内锥胎2）针对产品应力变形问题，合理改进加工工艺步骤，使加工中材料应力充分释放，优化加工切削用量，降低切削力和切削温度，控制产品变形，进而保证产品设计要求。3）提高圆度变形控制、壁厚精度控制及尺寸测量精度等，从而提高产品加工精度的稳定性，实现定型批量化生产。3

零件装夹3.1专用支撑架配合轴向压紧装夹为保证零件在加工过程中均匀受力，防止径向变形，装夹采用轴向压紧方式。通过设计专用的支撑架配合顶盖板、中心拉杆，实现Z轴定位及不完全定位的方案。加工大端端面、芯腔内锥度面。第一步加盖板车削加工大端面，第二步采用三点定位法，內形加工支架均布安装三个压板，Z轴压住大端面B面，车削加工内锥面C面。基准面A面平面度必须达到产品平面度公差值的一半（0.05mm），进而保证内锥度面圆度要求φ（813±0.05）mm，壁厚公差要求±0.05mm，以及倾斜角度公差要求26.2°±2′。该定位装夹方案利用中大型薄壁产品设计基准作为加工基准，做到基准统一，提高了加工基准的可靠性和精度。有效解决了中大型薄壁类零件没有可靠定位基准、装夹固定点的难题。专用支撑架配合轴向压紧装夹方式如图4所示。3.2外锥面装夹零件内锥面加工完成后产品的夹持刚度被严重削弱，加工外锥面D面装夹时极易产生夹紧力变形，引起工件圆度过度变化以及加工振动。为此，采用内圆锥形心轴定位，加Z向压紧的方案，提高工件定位精度、夹持刚度，使工件圆度在装夹状态下保持0.03㎜以内，满足设计需求。该定位方法增强了内外锥面同轴度，同时增强了产品刚度、切削过程的稳定性，降低了车削过程中切削变形。切削热传递快，降低了切削热对产品尺寸及几何精度的影响，大幅度提升装夹效率。外锥面装夹方式如图5所示。

图4专用支撑架配合轴向压紧装夹

图5

外锥面装夹3.3产品找正及测量产品内外锥面加工完成后，大端与工作台贴合，以小端外径为基准打表，同轴度控制在0.03mm以内，找正产品，同时检查大端平面，平面度达到0.02mm以内。采用三点压紧的固定方法加工内圆φ（329±0.05）mm配合面。由于产品大端环形平面B面最大直径为950mm，产品高度达到587mm，环形平面B面宽度仅51mm，所以压紧后B面平面度对所加工的圆度影响较大。大端B面平面度及小端圆度变化趋势如图6所示。图6

大端B面平面度及小端圆度变化趋势4

刀具选择产品材料为铸造铝合金ZL205，该材料具有良好的抗疲劳强度、塑性和韧性，车削时，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径大，走刀时间长，材料去除量大的特点，要求加工刀具必需能够实现较大切削深度，并具有较好的耐磨性，因此，精车时，选用KYOCERA品牌SDJER3232

DEG150404R车刀，较大刀尖圆弧增强刀具寿命。刀具型号及切削参数见表2。表1刀具型号及切削参数刀具型号刀具材料切削速度/（m/min）进给量/（mm/r）吃刀量/mm刀尖圆弧/mmSDJER3232DEG150404RHTi10-Az5600.2～0.30.5～0.15R0.4SDTCR3232DCGT11308HTi10-Az330～4300.5～0.71～2R0.85

加工方案通过对产品结构及材料特性进行分析，为有效控制加工过程中零件变形，制定加工方案：粗车→时效→半精车→时效→精车。通过安排两次时效工序，使应力得到充分释放，材料组织内应力、加工应力充分释放。半精车完成后，在内外径向留余量0.75mm，高度方向留余量2mm。精加工路线采用先内后外加工、两次加工基准面B面的方案：（利用支架为定位基准）精车B面→精车C面（B面留余量0.3mm）→调头（利用锥度芯胎为定位基准）→精车D面、A面到图样要求尺寸精度→调头→精车B面（提高定位基准精度达到0.05mm以内）→调头加工小端内圆φ（329±0.05）mm(B面为基准)。6

车削内外锥面时产生双曲线误差分析产品车削中圆锥面大小端直径相差572mm，Z轴行程长、圆锥面面积大。锥面产生双曲线误差非常严重。车刀刀尖偏移中心旋转，使刀尖移动的直线轨迹不与圆锥体的母线重合（见图7），产生双曲线误差加工的内外圆锥体是旋转双曲线曲面（见图8）。产品的锥面直线度和锥度角要求非常高26.2°±2′，必须最大限度控制双曲线的产生。两平行曲面切割一个锥形曲面，相交形成双曲线交线，公式为1＝（y2/k2）＋（x2/k2）＋（tana2/k2）

（1）式中，y是Z轴（长度）方向值（mm），x是X轴（直径）方向值（mm）；a是产品锥度（°）；k是两曲面之间的距离（刀尖与旋转中心的距离，mm）。平行曲面之间垂直距离（其中一曲面通过回转中心）产生的最大双曲线误差即为产品内锥面直线度误差，产品技术要求小于0.03mm。

图7刀尖移动的直线轨迹不与圆锥体的母线重合图8旋转双曲线曲面通过计算加工该内外锥面时Z轴行程、圆锥面面积，得出车刀刀尖必须与锥体旋转中心等高，刀尖移动的直线轨迹必须与圆锥体的母线重合，刀尖高度和旋转中心的误差不能＞0.08mm。精车锥体壁厚度2.96～3.05mm，符合公差要求，产品锥壁的上下位置处厚度差＜0.05mm。利用三坐标测量，内外圆φ（329±0.05）mm，圆度均＜0.08mm，和锥面直