大型圓錐形整體薄壁殼體的精密數(shù)控加工工藝研究

李 洋 崔 鑫 趙 怡 郭東亮 王元軍

(天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

某大型圓錐形整體薄壁殼體工件是有效載荷關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，其配合尺寸精度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求高，該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品此前均采用桁條端框鉚接或復(fù)合材料錐殼裝配等制造形式。為滿足更高強(qiáng)度、精度要求，該工件在業(yè)內(nèi)首次采用2A14鋁合金鍛件整體機(jī)加，整體鋁合金鍛件材料經(jīng)過鍛造、軋制、數(shù)控加工和熱處理等工藝加工而成，材料殘余應(yīng)力較大且分布不均[1],該工件采用的異形鍛件更加劇了上述問題。隨著加工的進(jìn)行、材料的漸進(jìn)去除，局部應(yīng)力得到釋放，毛坯料內(nèi)部應(yīng)力重新分配，導(dǎo)致加工過程中工件就開始發(fā)生不可預(yù)測的變形，嚴(yán)重影響加工精度及成品產(chǎn)品質(zhì)量。

本文通過合理安排加工工序、優(yōu)化裝夾方案、采用適當(dāng)?shù)臅r效和補(bǔ)償方案，減少了產(chǎn)品的變形，有效保證了成品的加工精度。

1 產(chǎn)品分析

某大型圓錐形整體薄壁殼體毛坯料與工件結(jié)構(gòu)三維簡圖如圖1所示，工件結(jié)構(gòu)高度301.27 mm，上端框直徑1 215 mm，下端框直徑1 748 mm，錐段分布著3排以梯形輪廓為主的不同特征網(wǎng)格下陷、錐角達(dá)45°。其中上端框作為關(guān)鍵承載配合結(jié)構(gòu)，成品精度要求較高，線性誤差最高要求±0.03 mm，形位公差精度最高要求為0.08 mm,具體要求如圖2所示。

該工件采用2A14鋁合金錐形鍛件整體機(jī)加，材料去除率達(dá)近90%，同時因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工件成品精度要求高等，工件加工中存在如下難點(diǎn)：

(2)產(chǎn)品隨機(jī)變形大。該鍛件采用異形模鍛工藝制造而成，材料內(nèi)部應(yīng)力較常規(guī)鍛件更大。首期在鍛件鍛制過程中出現(xiàn)過因應(yīng)力過大而發(fā)生斷裂情況。同時不均勻復(fù)雜特征造成加工中局部變形情況更加復(fù)雜且難以預(yù)測。

(3)有效裝夾支撐困難。因工件成品自由狀態(tài)的形位公差、線性尺寸要求較高，造成該工件在加工過程中存在裝夾穩(wěn)固支撐保精度與盡量減少裝夾前后變形難以兼顧。

(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性差。大型薄壁整體工件，最大徑厚比接近700，剛性差，加工難度大。

2 基于多點(diǎn)支撐的組合固持方法

該類薄壁環(huán)類工件，傳統(tǒng)方法加工時，通常使用固定型胎對內(nèi)型面支撐進(jìn)行精加工，但因該工件變形較大，采用上述方法，裝夾狀態(tài)固然能保證精度，拆掉工裝后自由狀態(tài)下其公差帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法包絡(luò)住變形量。因此，考慮加工周期及成本，為保證自由狀態(tài)下的精度同時兼顧效率，本文提出了一種基于多點(diǎn)支撐的組合固持方法，同時，因上端框成品自由狀態(tài)下型面精度、形位尺寸要求較嚴(yán)，為保證工件加工精度，車、銑加工裝夾時在遵循低應(yīng)力隨形支撐的原則下，對車銑工序進(jìn)行了有針對性的固持方案設(shè)計(jì)。

2.1 車加工裝夾

車削加工時，僅裝夾固定下端框，采用盡量多的夾持點(diǎn)進(jìn)行壓板裝夾，使用4個均布胎塊進(jìn)行擠圓微校形，過程中打表監(jiān)控上端框圓度變化，確保上端框不產(chǎn)生圓度大于0.05形變。精加工時壓板壓點(diǎn)不小于12個，大大降低工件局部裝夾受力，使工件周向受力更為均衡。

2.2 銑加工裝夾

銑加工安排在關(guān)鍵尺寸精車前，為保證下陷輪廓、壁厚尺寸及效率，采用“下端框外形胎塊支撐固定+錐段內(nèi)型面局部支撐”的裝夾方式，壓板頂撐時變形量控制在0.2 mm以內(nèi)。該裝夾方式一方面滿足了錐面網(wǎng)格銑削的有效支撐，降低了工件變形造成的過切、欠切以及切削振動等問題；另一方面有效支撐對圓度及平面度的微校形節(jié)省了理論型面與實(shí)際型面偏差較大帶來的需反復(fù)測量分區(qū)補(bǔ)償銑削效率低下且質(zhì)量難以保證的問題。

3 時效方法

該工件本身材料內(nèi)部應(yīng)力較大，加工過程材料去除量大且不均勻，若不進(jìn)行輔助應(yīng)力釋放，產(chǎn)品精加工后產(chǎn)生變形較大，成品的形位尺寸難以保證。因結(jié)構(gòu)限制，該工件無法實(shí)現(xiàn)振動時效，優(yōu)化前產(chǎn)品采用的是3次熱時效，但時效前后圓度及平面度變形量均大于0.5 mm，最后一次熱處理前后圓度變化甚至達(dá)到3 mm,且后續(xù)精加工對應(yīng)變形量最大超過1 mm。

為保證成品自由狀態(tài)下滿足相應(yīng)的精度要求，吸取收件產(chǎn)品3次熱處理時效效果不佳的經(jīng)驗(yàn)，對加工方案進(jìn)行優(yōu)化，在精加工前同樣設(shè)置3次時效處理，除在前兩次采用常規(guī)的熱時效外，第3次時效處理引入冷熱循環(huán)時效處理方式，該方案是一種高效的新型去應(yīng)力工藝，目前多用于鋁合金鑄件殼體的精加工前時效，其時效溫度曲線如圖5所示。冷熱循環(huán)時效方式流程包括：深冷處理至約180 ℃保溫一段時間，然后加熱到約130 ℃保溫一段時間，期間，深冷及加熱過程中分別在-80 ℃及室溫時同樣保溫一段時間。重復(fù)上述過程一次，最終隨爐降溫至室溫，完成兩次冷熱循環(huán)。

相較于傳統(tǒng)熱處理時效，冷熱循環(huán)時效處理后組織中析出相分布更加均勻、彌散，并產(chǎn)生大量位錯，微塑性變形發(fā)生引起可動位錯耗竭和固定位錯纏結(jié)、增殖，從而抑制工件變形，宏觀表現(xiàn)為工件尺寸穩(wěn)定性提高[2]。實(shí)際加工過程中對比傳統(tǒng)熱處理后最高達(dá)到3 mm、加工過程中最高1 mm的變形量，冷熱循環(huán)時效處理前后及加工過程中工件圓度、平面度變化均在0.2 mm以內(nèi)。

4 補(bǔ)償加工方案

4.1 溫度補(bǔ)償

考慮到該工件的重要功能尺寸為配合尺寸且精度要求較高，為保證兩件不同工況下加工出的工件在最終裝配工況下的協(xié)調(diào)配合，加工、檢驗(yàn)過程中若實(shí)際溫度偏離圖紙標(biāo)稱溫度23 ℃即需進(jìn)行溫度補(bǔ)償，考慮溫度對工件和量具的影響，修正標(biāo)稱尺寸值，將線性膨脹修正公式換算成框環(huán)類工件的修正增量為：

Δ=D×[a1(t1-23)-a2(t2-23)]

(1)

其中：D為23 ℃時標(biāo)稱直徑；t1為工件的實(shí)際溫度；t2為量具的實(shí)際溫度；a1為工件的線性膨脹系數(shù)；a2為工件的線性膨脹系數(shù)。

該工件加工過程中需根據(jù)實(shí)際工況溫度對加工目標(biāo)值按照上述增量公式進(jìn)行補(bǔ)償換算。經(jīng)對照測量，該工件加工時溫度達(dá)到了31 ℃，其在該溫度工況下的上端框直徑值與其在23 ℃溫度下的直徑值實(shí)測相差達(dá)0.42 mm，與該公式計(jì)算值吻合，因此對于該類高精度要求配合尺寸，引入溫度補(bǔ)償極為重要。

4.2 數(shù)字量協(xié)調(diào)

該工件的下端框?qū)涌诪閰f(xié)調(diào)裝配孔，其協(xié)調(diào)配合工件對應(yīng)孔為鉆模制孔，按照傳統(tǒng)方案該工件的下端框?qū)涌滓矐?yīng)為鉆模制孔，但因結(jié)構(gòu)限制，原鉆模無法配制孔，為保證最終使用要求，本工件加工時采用了基于鉆?？孜荒M量數(shù)據(jù)的反饋補(bǔ)償數(shù)字量協(xié)調(diào)數(shù)控制孔的方案，具體流程如圖6。

S1：按鉆模使用的A、B面擺正放置鉆模，按內(nèi)圓柱面打表調(diào)整圓度，使用三坐標(biāo)按順序精測鉆模各孔孔位坐標(biāo)。

S2：按規(guī)則從起始點(diǎn)位開始沿象限順序旋轉(zhuǎn)方向記錄各孔實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn)及對應(yīng)理論數(shù)據(jù)，根據(jù)所得鉆模點(diǎn)位數(shù)據(jù)計(jì)算其相對于理論模型點(diǎn)位的位置度偏差。

S3：根據(jù)安裝需求及制孔誤差計(jì)算位置度允差閾值。

S4：判斷各點(diǎn)位對應(yīng)鉆模數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)位置度偏差大小是否在位置度允差閾值內(nèi)，若是則不做修正，若超出則最終加工數(shù)據(jù)選用對應(yīng)鉆模點(diǎn)位實(shí)測數(shù)據(jù)。

S5：匯總補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)，按補(bǔ)償后的孔點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控制孔。

該方案較經(jīng)濟(jì)地解決了傳統(tǒng)鉆模制孔端框與新研數(shù)字量制孔端框的裝配協(xié)調(diào)問題，改變了與鉆模制孔端框配合端框制孔只能新申請對應(yīng)協(xié)調(diào)鉆模一種方案的局面，大大節(jié)約了制造成本與研制周期，提高了設(shè)計(jì)制造的柔性。

5 整體加工方案

車削加工是本工件材料去除量最大的工序，同時又是成品要求最嚴(yán)的功能尺寸的形成工序，因此針對兩種不同需求并服務(wù)于成品自由狀態(tài)下的精度要求，打破常規(guī)先車后銑的方案，將車銑工序進(jìn)行反復(fù)穿插安排。

粗、半精加工時，整體車削去除余量至單邊3 mm余量，期間分別在余量10 mm和6 mm時進(jìn)行兩次熱處理時效去除應(yīng)力，其后粗銑網(wǎng)格和端框缺口，然后進(jìn)行冷熱循環(huán)去應(yīng)力時效，保證精加工前盡量釋放應(yīng)力。精加工時，首先精車錐段內(nèi)外型面至圖紙尺寸，然后進(jìn)行網(wǎng)格精銑，精銑各類安裝孔及避障缺口，最后進(jìn)行上下端框的精車，其中上端框安排最后精車，各特征尺寸均保證在一次裝夾狀態(tài)下完成加工。加工過程中，尤其是精加工，為更好地控制變形，選用硬質(zhì)合金刀具，采用高轉(zhuǎn)速、小吃刀的分層加工方式。

綜合上述分析，針對該工件的特征采用車銑聯(lián)合加工的方案，為保證成品精度，需按照適當(dāng)提高半成品的應(yīng)力釋放效果、有效降低精加工及后續(xù)工件變形的原則，制定如下加工工藝方案：

整體粗車(10 mm余量)→熱處理→整體半精車(6 mm余量)→熱處理→二次半精車(3 mm余量)→網(wǎng)格及缺口粗銑→冷熱循環(huán)處理→錐段精車→網(wǎng)格精銑→精銑孔及缺口→上下端框精車。

6 加工效果

通過合理安排加工流程，使用有效的加工裝夾方式、有針對性的補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)了該殼體工件的高精度車、銑加工，產(chǎn)品實(shí)物圖如圖7所示。具體有如下改進(jìn)：

(1)精度提升。相較于使用傳統(tǒng)方案加工的超差產(chǎn)品，應(yīng)用新設(shè)計(jì)方案后加工的產(chǎn)品精度提升明顯，全部驗(yàn)收尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，其中應(yīng)用傳統(tǒng)方案加工的超差產(chǎn)品與應(yīng)用新方案后加工產(chǎn)品實(shí)測值對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)方案與新設(shè)計(jì)方案加工兩件產(chǎn)品實(shí)測值對比表

(2)效率提高。通過對加工中各環(huán)節(jié)有針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮包括熱處理及輔助時間在內(nèi)的完整加工周期，應(yīng)用新設(shè)計(jì)方案后合格產(chǎn)品實(shí)際加工周期為22天，相較于傳統(tǒng)方案產(chǎn)品的加工周期35天，效率提高約37%。

7 結(jié)語

根據(jù)該大型圓錐形整體薄壁殼體工件的特征尺寸及使用需求，有針對性的制定了合理的車、銑、熱處理、補(bǔ)償加工方案，設(shè)計(jì)出一套經(jīng)濟(jì)可靠的車銑低應(yīng)力裝夾方案，輔以合理的切削參數(shù)選擇，有效抑制了該工件的加工變形，保證并提高了成品工件的加工精度，提升了加工效率。為同類型產(chǎn)品的加工提供了可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)及方案。