大直徑薄壁鋁機(jī)匣加工技術(shù)

馮守勝 吳宏春 周曉茜

摘 要：大直徑薄壁鋁機(jī)匣類零件在我國屬于首次自主研制，缺乏大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，許多關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域尚屬空白。對于機(jī)匣類零件普遍存在加工變形問題，大直徑薄壁機(jī)匣表現(xiàn)得更是尤為突出，甚至成為此類零件加工制造過程中的瓶頸。本文以發(fā)動機(jī)外環(huán)為載體，從機(jī)匣變形控制的角度切入，研究、摸索大直徑薄壁鋁機(jī)匣的機(jī)械加工技術(shù)，主要從工藝路線、切削參數(shù)以及工藝裝備等3個(gè)方面進(jìn)行研究，闡述控制薄壁件的變形因素及相應(yīng)的控制措施，最終形成穩(wěn)定的工藝方案。

關(guān)鍵詞：大直徑；薄壁；變形控制

中圖分類號：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)性能的不斷提高，其機(jī)匣的設(shè)計(jì)精度越來越來高，重量越來越輕，使之機(jī)匣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越來越趨于復(fù)雜，加上難加工材料的使用，這給機(jī)匣在加工中如何安排工藝路線、如何切削控制變形帶來了極大的難度，特別是壁厚極薄的型面復(fù)雜機(jī)匣加工、變形量的控制、數(shù)控走刀路徑及切削參數(shù)優(yōu)化更是該類零件制造技術(shù)提升的關(guān)鍵。

1 研究目標(biāo)

自由狀態(tài)下直徑表面跳動1.0max、內(nèi)表面自由狀態(tài)下同軸度0.5 max。

構(gòu)件類型。該構(gòu)件毛坯材料為鋁合金鍛件，最大外徑約Ф1800mm、內(nèi)徑約Ф1700mm、總高約400mm、最薄壁厚約4.0mm，外型面有多處倒喇叭口結(jié)構(gòu)的周向加強(qiáng)筋，該構(gòu)件屬于大直徑、薄壁類整體環(huán)形機(jī)匣。

2 試驗(yàn)

2.1 總體技術(shù)方案及其實(shí)施過程與效果

2.1.1 機(jī)匣結(jié)構(gòu)分析

該構(gòu)件是整體環(huán)形機(jī)匣，其典型特征是機(jī)匣外型面的兩級雙側(cè)倒喇叭口結(jié)構(gòu)的圓周加強(qiáng)筋，這是區(qū)別于以往所有機(jī)匣的最主要特征。

這一特征限定了其外型面的銑削加工方案，每級加強(qiáng)筋軸向涵蓋區(qū)域內(nèi)，普通端銑刀無法達(dá)到加強(qiáng)筋內(nèi)部區(qū)域完成相應(yīng)位置的加工，僅能使用球銑刀以多分層、高密度、變傾角的刀軌來逐層去除余量。

如圖1所示，外型面的倒喇叭口結(jié)構(gòu)加工區(qū)域分為1、2、3、4，其中1、2、3區(qū)域加工方案相同，4區(qū)域單獨(dú)設(shè)置加工方案。對4個(gè)加工區(qū)域而言，首先要分成水平面、豎直面和45°斜面3個(gè)子區(qū)域。加工時(shí)采用φ13球銑刀，對于1、2、33個(gè)區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域采用單一操作逐漸變化角度的方式即可完成，就整個(gè)加工范圍來分析，從T點(diǎn)到E點(diǎn)，其刀軸方向會有約1.5°的微量變化；對于4區(qū)域，除45°斜面子區(qū)域外，其余兩個(gè)子區(qū)域內(nèi)至少要采用兩個(gè)操作進(jìn)行角度變換才能銜接完成，從T點(diǎn)到E點(diǎn)，刀軸方向會有約7°的變化。

同時(shí)，該構(gòu)件屬于大直徑、薄壁鋁合金機(jī)匣，其結(jié)構(gòu)決定了切削過程是金屬去除率非常大的加工過程，變形控制是重要的關(guān)注點(diǎn)。

2.1.2 機(jī)匣變形原因分析

（1）材料

該構(gòu)件毛坯材料是鍛鋁合金，其高強(qiáng)度鍛鋁在熱態(tài)下具有高的可塑性，易于鍛造、沖壓，可以熱處理強(qiáng)化，在淬火及人工時(shí)效后的強(qiáng)度與硬鋁相似，工藝性能較好，但有擠壓效應(yīng)，故縱向和橫向性能有所差異，抗蝕性較好，但有晶間腐蝕和傾向，可切削性能良好。

（2）機(jī)加原因

第一，該構(gòu)件毛料為鋁合金環(huán)形鍛件，外型輪廓尺寸為φ1840×φ1670×φ430，金屬去除率為87.5%，屬于大余量的數(shù)控切削加工，而且大部分余量去除集中在粗加工工序， 易產(chǎn)生機(jī)加應(yīng)力，在后續(xù)加工中不斷地釋放應(yīng)力、持續(xù)的變形，如圖2所示。

第二，工裝夾具也是限制機(jī)加工藝的另一因素。對于外環(huán)這樣的薄壁機(jī)匣，后期的加工剛性較差，加工狀態(tài)很不穩(wěn)定，如果沒有合適的支撐夾具配合切削加工，加工的效果不會很理想，而且會產(chǎn)生一定的顫動，影響構(gòu)件加工后自由狀態(tài)的變形。

第三，工藝路線的安排也會對構(gòu)件變形造成影響。工藝路線安排的順序不同，構(gòu)件去除余量的先后順序也就不同，中間工序的加工狀態(tài)也會有所不同，所有這些作用在構(gòu)件的最終質(zhì)量上，就會影響構(gòu)件的變形。

2.1.3 機(jī)匣變形控制方案

針對影響機(jī)匣變形的幾個(gè)原因，主要從機(jī)加方面有針對性的采取相應(yīng)措施，最終達(dá)到減小變形、控制變形的目的。

（1）工藝路線安排

大部分余量的去除集中在粗加工工序，大范圍的切削發(fā)生在車、銑工序，因此工藝路線主要針對車、銑工序，特別是兩道粗車工序，從構(gòu)件剛性、裝夾穩(wěn)定性和實(shí)際可操作性等方面考慮，在兩道粗車工序之前，增加了一道車工藝邊工序，這樣增加了后續(xù)粗車工序構(gòu)件裝夾的穩(wěn)定性，保證構(gòu)件可靠壓緊固定。同時(shí)還要考慮兩粗車工序的加工順序、去除余量的先后，使工序的剛性增加。

針對該構(gòu)件的主要工藝路線為：車工藝邊—粗車前、后端 —粗鏜定位孔—粗銑外型—半精車前、后端—精鏜定位孔—精銑外型—精車前后端—銑平面及鉆鏜徑向孔—鉆鏜端面孔 。

（2）工藝參數(shù)、設(shè)備選擇

構(gòu)件壁薄、剛性差，導(dǎo)致加工過程存在很大切削力和變形現(xiàn)象，使高精型面難以保證，還須從切削參數(shù)上優(yōu)化細(xì)化。

粗車工序，加工設(shè)備為普通立車， n=35r/min～50r/min，f=0.2r/min～0.3mm/r，ap≤2.0mm。

半精車及精車工序，加工設(shè)備為數(shù)控立車，工作臺直徑φ2.25m，參數(shù)見表1。

所有銑加工工序，加工設(shè)備為五坐標(biāo)立式斜擺頭加工中心、工作臺φ2.6m×2.2m、加工空間容積15200dm2，參數(shù)見表2。

（3）裝夾、支承方案

薄壁類機(jī)匣具有直徑大、壁厚薄、剛性差等特點(diǎn)，在車、銑、鉆加工中非常容易變形，使構(gòu)件嚴(yán)重超差，為解決這一問題，采用帶有輔助支撐結(jié)構(gòu)的夾具（圖3），使構(gòu)件在加工中不震動，從而提高了構(gòu)件的加工精度。

輔助支撐支撐在構(gòu)件相對最薄弱的部位，再采用一個(gè)自適應(yīng)的加緊機(jī)構(gòu)來輔助構(gòu)件減少震動。

采取橡膠圈減震機(jī)構(gòu)和自適件，自適應(yīng)可調(diào)機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動球可隨意根據(jù)構(gòu)件高低不同來夾緊構(gòu)件，使構(gòu)件牢固不震動。

采用實(shí)心圓弧面支撐塊、多層，可極大地提高輔助支撐作用。實(shí)心圓弧面支撐塊可以承受加工中很大的切削作用力，可起到增強(qiáng)構(gòu)件剛性的作用。

輔助支撐操縱機(jī)構(gòu)，采用快換方式，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外支撐和加工，提高加工效率及精度。

（4）自然時(shí)效

基于不同時(shí)間長度對各臺份粗車后進(jìn)行自然時(shí)效，以彌補(bǔ)熱時(shí)效的作用，力求釋放粗車工序給構(gòu)件內(nèi)部帶來的機(jī)加應(yīng)力。提前釋放構(gòu)件的機(jī)加應(yīng)力，可以極大地改善構(gòu)件后續(xù)加工的狀態(tài)，避免應(yīng)力在加工過程中釋放而加劇構(gòu)件變形，影響構(gòu)件質(zhì)量。

2.2 達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

第一，掌握適合大直徑薄壁鋁合金機(jī)匣數(shù)控加工的較為完善、穩(wěn)定的工藝路線安排，可以滿足批量生產(chǎn)的要求。

第二，形成一套高效加工的數(shù)控程序，包括每個(gè)工序的加工策略的制定、加工刀具和加工參數(shù)的選擇等，特別是針對外環(huán)外型面獨(dú)特的倒喇叭口結(jié)構(gòu)的銑削加工方案，整個(gè)過程非常成熟和流暢。

第三，掌握工裝夾具對于此類構(gòu)件加工的輔助作用，包括加工前的裝夾支撐方案、構(gòu)件找正要點(diǎn)，還有夾具定位方案設(shè)計(jì)、支撐方案設(shè)計(jì)等對于構(gòu)件加工的影響。

第四，掌握非冷工藝安排對于機(jī)加質(zhì)量的影響，可以合理的在加工過程中安排時(shí)效處理來彌補(bǔ)冷加工自身的缺陷。

第五，就該種材料構(gòu)件的加工時(shí)間和刀具消耗而言，整個(gè)過程已處于高效的切削狀態(tài)，單臺份刀具消耗量極少，沒有明顯變化。

最后，按照此套工藝方案加工3臺份，完成方案的驗(yàn)證。

2.3 結(jié)果與分析

第一，對于類似于外環(huán)的大直徑薄壁鋁合金機(jī)匣構(gòu)件，金屬去除率特別大，而且非常集中，因此在制定工藝路線時(shí)，要在金屬去除率最大的粗加工工序之后，增加時(shí)效工序，給予構(gòu)件充分的釋放應(yīng)力過程。

第二，在粗加工和半精加工階段，加工前的找正要采取“多點(diǎn)對點(diǎn)找正”的方式，這樣不僅可以降低找正難度，而且可以使構(gòu)件在自由狀態(tài)（或接近自由狀態(tài)）下完成加工，去除前面工序的橢圓部分，最終逐漸形成較好的自由狀態(tài)圓度。

第三，對于鋁合金構(gòu)件的大余量切削，要采用小切深、大進(jìn)給的方式，這樣可以減小加工過程中構(gòu)件與刀具之間的作用力，從而減小構(gòu)件變形。

第四，對于鋁合金這樣剛性較差的構(gòu)件而言，在安排路線時(shí)要格外注意每個(gè)工序的剛性和所有工序的剛性總和，必要時(shí)采用可靠的輔助支撐夾具增加構(gòu)件剛性，以保證加工過程的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)

[1]王愛玲，等.機(jī)匣制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[2]王世敬.機(jī)械制造技術(shù)[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2009.