航天大尺寸薄壁圓盤的加工變形控制研究

白 鷹 金偉英 顧 丹

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

航天飛行器的儀器圓盤是用于安裝科研儀器設(shè)備的重要零件，具有尺寸大、壁厚薄、剛度低等特點(diǎn)。零件為鋁合金薄壁板結(jié)構(gòu)，筋板最薄處厚度僅為2.5 mm。在加工過程中，隨著從鍛件毛坯到零件整體加工余量的不斷去除，該零件易于在毛坯殘余應(yīng)力和機(jī)加工應(yīng)力的作用下產(chǎn)生薄板彎曲變形，零件壁厚以及主要精度不容易保證，隨之帶來生產(chǎn)周期長(zhǎng)，整件精度不穩(wěn)定和生產(chǎn)效率低等問題，給控制該航天零件的加工質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。

針對(duì)大型鋁合金壁板初始?xì)堄鄳?yīng)力及其加工變形控制的問題，很多學(xué)者開展了相應(yīng)的研究。鋁合金厚板在成形和熱處理過程中，其內(nèi)部不可避免地引入殘余應(yīng)力，甚至接近材料的屈服強(qiáng)度［1-2］。因此為了減小毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放引起的加工變形，必須設(shè)法抑制與消除鋁合金板材內(nèi)部殘余應(yīng)力［3］。常用的方法包括:機(jī)械拉伸法(在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，預(yù)拉伸量為2%～3%，最高可消除90%以上的殘余應(yīng)力［4-6］);深冷處理法(在選擇合適的工藝參數(shù)條件下，深冷處理法可降低20%～84%的殘余應(yīng)力［7］);振動(dòng)時(shí)效法在淬火后處于不穩(wěn)定的2 h內(nèi)對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)，效果最佳，殘余應(yīng)力可減小50%～70%［8］)等方法。然而，無法消除的殘余應(yīng)力對(duì)于大型薄壁圓盤零件而言，所引起的切削變形仍然不可忽視，需要從優(yōu)化加工工藝的角度進(jìn)行研究。

針對(duì)這一問題，采用增加應(yīng)力槽以及雙面切削的技術(shù)，解決了毛坯殘余應(yīng)力引起的變形問題，從而使零件精度得到了可靠保證。由于具有處理時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航天器的研制中具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是對(duì)目前航天產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)意義更加重大。

1 變形機(jī)理分析

如圖1，圓盤零件為典型的大平面薄壁零件，材料為鋁合金，其外形尺寸為φ2 200 mm×25 mm，上面分布著200多個(gè)尺寸不一形狀不規(guī)則的型腔孔(通孔、盲孔、帶內(nèi)邊沿的通孔)，筋厚4 mm，底平面板厚2.5 mm，質(zhì)量31.13 kg，要求自由狀態(tài)下平面翹曲量≤5 mm，提供的毛坯鍛料約750 kg，金屬切削率達(dá)95.85%。

由毛坯直接“掏空”而加工成復(fù)雜槽腔、筋條、凸臺(tái)和減輕孔等整體結(jié)構(gòu)件。整體結(jié)構(gòu)件體積大、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大，加工周期長(zhǎng)，加工質(zhì)量和精度很難控制，在加工過程中毛坯內(nèi)部的殘余應(yīng)力非均勻釋放，極易導(dǎo)致變形，采用常規(guī)控制變形方法保證平面翹曲量小于5 mm非常困難。

工件內(nèi)應(yīng)力是由于內(nèi)部宏觀或微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的，毛坯由于內(nèi)應(yīng)力暫時(shí)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，但在切削去除某些表面部分以后，就打破了這種平衡，內(nèi)應(yīng)力重新分布，工件就明顯地出現(xiàn)了變形。因此，為及時(shí)消除工件加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，關(guān)鍵加工工序后均進(jìn)行穩(wěn)定化時(shí)效處理，以減小上道工序工件變形對(duì)下道工序的不利影響。穩(wěn)定化時(shí)效處理既要消除工件的內(nèi)應(yīng)力，又不能影響工件強(qiáng)度。引起圓盤變形應(yīng)力的來源主要包括原材料在加工前就存在殘余應(yīng)力，由于切削過程中刀具對(duì)工件的擠壓、摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力，切削熱在工件內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)加工熱應(yīng)力等。

對(duì)于毛坯內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形的原因可解釋為:假設(shè)工件結(jié)構(gòu)是一個(gè)不規(guī)則的立方體，分為二層。第一層為外部應(yīng)力層，第二層為內(nèi)部應(yīng)力層。對(duì)于三維尺寸都比較大的工件，認(rèn)為應(yīng)力是沿空間分布的，外層包裹內(nèi)層，如圖2所示。對(duì)于板類工件，則認(rèn)為是以平板層疊加分布的。由于工件加工都是首先破壞外層表面，而且不可能在一瞬間去除。這樣就出現(xiàn)了應(yīng)力的重新分布。因首先加工的一側(cè)隨著切削作用應(yīng)力被去除，內(nèi)層的拉應(yīng)力起作用，同時(shí)另一側(cè)的外層的壓應(yīng)力也發(fā)生作用，共同作用的結(jié)果使結(jié)構(gòu)向被加工一側(cè)產(chǎn)生變形。隨著加工的不斷進(jìn)行，應(yīng)力也隨之不斷地變化，并重新分布。當(dāng)加工結(jié)束時(shí)，變形也就存在了。

直徑2 200 mm，厚度25 mm的圓盤，圓餅狀毛坯實(shí)際選用直徑2 400 mm，厚度68 mm毛坯料加工，加工余量大，加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也大，變形也非常明顯。為了減小加工表面層的殘留應(yīng)力，應(yīng)盡力減小工件塑性變形。

對(duì)于薄壁復(fù)雜工件的加工變形，主要原因?yàn)?，材料在加工前存在很大且分布不均勻的殘余?yīng)力，由于切削加工，材料殘余應(yīng)力部分釋放并重新分布，從而引起加工變形。這個(gè)變形，很大程度上并不是因?yàn)榍邢髁σ鸬淖冃?，而更多是由于材料中在加工前就存在殘余?yīng)力。

2 方案與應(yīng)用

鑒于引起大尺寸薄壁圓盤加工變形的主要原因在于材料毛坯內(nèi)存在的初始?xì)堄鄳?yīng)力及其非均勻釋放過程，提出以下兩種解決方案:

(1)粗加工前的振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力法

旨在解決以往圓盤大尺寸實(shí)心鍛造工件工藝上難以實(shí)現(xiàn)工件芯部與外部熱時(shí)效均質(zhì)化，爐溫不均勻去除應(yīng)力不理想及熱時(shí)效自身帶來的熱應(yīng)力無法去除的弊端問題。由于多次熱處理會(huì)降低材料的性能(原則上熱處理次數(shù)不超過3次)。為了不改變材料的狀態(tài)，不降低材料的性能，在工件消除應(yīng)力時(shí)，不能采用熱處理退火工藝方法，只能采用低溫時(shí)效消除應(yīng)力，而低溫時(shí)效溫度低，應(yīng)力去除效果不理想，最終無法完全滿足零件精度，只能采取讓步接收形式。而采用振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)，可不受產(chǎn)品尺寸的限制，有利于保證產(chǎn)品的尺寸精度和形狀位置精度，同時(shí)，會(huì)大大提高產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貯存周期。然而，該方法的缺點(diǎn)在于，鋁合金等有色金屬殘余應(yīng)力測(cè)量比較困難，目前尚無比較理想的非破壞測(cè)量方法。只能采用對(duì)比試驗(yàn)法，選擇類比結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行振動(dòng)消除應(yīng)力、熱處理消除應(yīng)力兩種情況下的加工對(duì)比(見表1)，實(shí)際測(cè)量各種情況下的變形量，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)振動(dòng)消除應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)應(yīng)力釋放槽技術(shù)

控制加工過程中，刀具切削對(duì)工件產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，在工件型腔背面加開等分應(yīng)力槽(如圖3所示)，以切斷工件徑向方向應(yīng)力的傳遞。采用加開應(yīng)力槽是為了將原來的面接觸改為點(diǎn)接觸(在型腔加工過程中)，以減少接觸面，使切削過程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力沿應(yīng)力槽的方向開放式釋放，不在筋板交接處產(chǎn)生應(yīng)力堆積。并且在應(yīng)力槽面留加工余量，可以在型腔加工完成后，對(duì)應(yīng)力槽面進(jìn)行切削加工，以達(dá)到雙面切削，使產(chǎn)生的應(yīng)力有相互抵消的效果，進(jìn)一步減小加工應(yīng)力。

綜合應(yīng)用以上兩種工藝，使大尺寸薄壁圓盤實(shí)現(xiàn)了較好的加工質(zhì)量，加工變形得到了有效的控制。比如在板厚為2.5～2.7 mm的情況下，無扭曲誤差，自由狀態(tài)扭曲為2.5～3 mm。

表1 相同尺寸結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)下的變形對(duì)比表(單位:mm)

3 結(jié)語

本文提出的大尺寸薄壁圓盤制造技術(shù)，解決了大面積薄壁工件的加工難題，采用組合“應(yīng)力釋放槽”、“三次振動(dòng)去應(yīng)力”等工藝方法，圓盤實(shí)際加工尺寸為:孔間筋厚4.18 mm，底平面厚度2.63 mm，自由狀態(tài)產(chǎn)品的翹曲量為2.75 mm(無扭曲)，制造結(jié)果滿足了任務(wù)書的要求。解決了大面積薄壁零件的加工變形，保證了圓盤翹曲量的要求，加工質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品自由狀態(tài)的翹曲量從工藝攻關(guān)前的55 mm(有扭曲)減小到了2.75 mm(無扭曲)，證明該工藝措施是有效的，可應(yīng)用于其他同類結(jié)構(gòu)大面積薄壁零件的加工。

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