精密數控加工工藝探討

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摘要：某大型圓錐形整體薄壁殼體工件業內首次采用整體鍛件數控加工的制造方式，其結構復雜、精度要求高及材料去除率大，加工變形控制困難。通過對工件特征進行分析，有針對性地設計了合理的車銑加工方案，實現了殼體工件的有效裝夾、應力應變控制及補償加工，保證了工件的成品設計要求。

關鍵詞：錐形薄壁殼體；車銑加工；應力應變控制

某大型圓錐形整體薄壁殼體工件是有效載荷關鍵承載結構，其配合尺寸精度、結構強度等要求高，該類結構產品此前均采用桁條端框鉚接或復合材料錐殼裝配等制造形式。為滿足更高強度、精度要求，該工件在業內首次采用2A14鋁合金鍛件整體機加，整體鋁合金鍛件材料經過鍛造、軋制、數控加工和熱處理等工藝加工而成，材料殘余應力較大且分布不均［1］，該工件采用的異形鍛件更加劇了上述問題。隨著加工的進行、材料的漸進去除，局部應力得到釋放，毛坯料內部應力重新分配，導致加工過程中工件就開始發生不可預測的變形，嚴重影響加工精度及成品產品質量。本文通過合理安排加工工序、優化裝夾方案、采用適當的時效和補償方案，減少了產品的變形，有效保證了成品的加工精度。

1產品分析

某大型圓錐形整體薄壁殼體毛坯料與工件結構三維簡圖如圖1所示，工件結構高度301．27mm，上端框直徑1215mm，下端框直徑1748mm，錐段分布著3排以梯形輪廓為主的不同特征網格下陷、錐角達45°。其中上端框作為關鍵承載配合結構，成品精度要求較高，線性誤差最高要求±0．03mm，形位公差精度最高要求為0．08mm，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加，材料去除率達近90％，同時因結構復雜、工件成品精度要求高等，工件加工中存在如下難點：（1）加工精度要求高。一般框環類工件僅需保證裝夾狀態滿足形位公差要求即可，本工件要求工件成品自由狀態精度需滿足要求，其中，上端框凸臺直徑值要求12090－0．13mm，高度及寬度公差為±0．03mm，前后對接面平行度0．2，形位公差精度最高要求為0．08mm，上述要求對于該結構工件提出了極高的要求。（2）產品隨機變形大。該鍛件采用異形模鍛工藝制造而成，材料內部應力較常規鍛件更大。首期在鍛件鍛制過程中出現過因應力過大而發生斷裂情況。同時不均勻復雜特征造成加工中局部變形情況更加復雜且難以預測。（3）有效裝夾支撐困難。因工件成品自由狀態的形位公差、線性尺寸要求較高，造成該工件在加工過程中存在裝夾穩固支撐保精度與盡量減少裝夾前后變形難以兼顧。（4）產品結構剛性差。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基于多點支撐的組合固持方法

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

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進行壓板裝夾，使用4個均布胎塊進行擠圓微校形，過程中打表監控上端框圓度變化，確保上端框不產生圓度大于0．05形變。精加工時壓板壓點不小于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＋錐段內型面局部支撐”的裝夾方式，壓板頂撐時變形量控制在0．2mm以內。該裝夾方式一方面滿足了錐面網格銑削的有效支撐，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省了理論型面與實際型面偏差較大帶來的需反復測量分區補償銑削效率低下且質量難以保證的問題。

3時效方法

該工件本身材料內部應力較大，加工過程材料去除量大且不均勻，若不進行輔助應力釋放，產品精加工后產生變形較大，成品的形位尺寸難以保證。因結構限制，該工件無法實現振動時效，優化前產品采用的是3次熱時效，但時效前后圓度及平面度變形量均大于0．5mm，最后一次熱處理前后圓度變化甚至達到3mm，且后續精加工對應變形量最大超過1mm。為保證成品自由狀態下滿足相應的精度要求，吸取收件產品3次熱處理時效效果不佳的經驗，對加工方案進行優化，在精加工前同樣設置3次時效處理，除在前兩次采用常規的熱時效外，第3次時效處理引入冷熱循環時效處理方式，該方案是一種高效的新型去應力工藝，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。重復上述過程一次，最終隨爐降溫至室溫，完成兩次冷熱循環。相較于傳統熱處理時效，冷熱循環時效處理后組織中析出相分布更加均勻、彌散，并產生大量位錯，微塑性變形發生引起可動位錯耗竭和固定位錯纏結、增殖，從而抑制工件變形，宏觀表現為工件尺寸穩定性提高［2］。實際加工過程中對比傳統熱處理后最高達到3mm、加工過程中最高1mm的變形量，冷熱循環時效處理前后及加工過程中工件圓度、平面度變化均在0．2mm以內。

4補償加工方案

4．1溫度補償

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調配合，加工、檢驗過程中若實際溫度偏離圖紙標稱溫度23℃即需進行溫度補償，考慮溫度對工件和量具的影響，修正標稱尺寸值，將線性膨脹修正公式換算成框環類工件的修正增量為：（1）其中：D為23℃時標稱直徑；t1為工件的實際溫度；t為量具的實際溫度；a1為工件的線性膨脹系數；a2為工件的線性膨脹系數。該工件加工過程中需根據實際工況溫度對加工目標值按照上述增量公式進行補償換算。經對照測量，該工件加工時溫度達到了31℃，其在該溫度工況下的上端框直徑值與其在23℃溫度下的直徑值實測相差達0．42mm，與該公式計算值吻合，因此對于該類高精度要求配合尺寸，引入溫度補償極為重要。

4．2數字量協調

該工件的下端框對接孔為協調裝配孔，其協調配合工件對應孔為鉆模制孔，按照傳統方案該工件的下端框對接孔也應為鉆模制孔，但因結構限制，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模孔位模擬量數據的反饋補償數字量協調數控制孔的方案，具體流程如圖6。S1：按鉆模使用的A、B面擺正放置鉆模，按內圓柱面打表調整圓度，使用三坐標按順序精測鉆模各孔孔位坐標。S2：按規則從起始點位開始沿象限順序旋轉方向記錄各孔實測坐標點及對應理論數據，根據所得鉆模點位數據計算其相對于理論模型點位的位置度偏差。S3：根據安裝需求及制孔誤差計算位置度允差閾值。S4：判斷各點位對應鉆模數據與理論數據位置度偏差大小是否在位置度允差閾值內，若是則不做修正，若超出則最終加工數據選用對應鉆模點位實測數據。S5：匯總補償后的數據，按補償后的孔點位數據進行數控制孔。該方案較經濟地解決了傳統鉆模制孔端框與新研數字量制孔端框的裝配協調問題，改變了與鉆模制孔端框配合端框制孔只能新申請對應協調鉆模一種方案的局面，大大節約了制造成本與研制周期，提高了設計制造的柔性。

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的功能尺寸的形成工序，因此針對兩種不同需求并服務于成品自由狀態下的精度要求，打破常規先車后銑的方案，將車銑工序進行反復穿插安排。粗、半精加工時，整體車削去除余量至單邊3mm余量，期間分別在余量10mm和6mm時進行兩次熱處理時效去除應力，其后粗銑網格和端框缺口，然后進行冷熱循環去應力時效，保證精加工前盡量釋放應力。精加工時，首先精車錐段內外型面至圖紙尺寸，然后進行網格精銑，精銑各類安裝孔及避障缺口，最后進行上下端框的精車，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，選用硬質合金刀具，采用高轉速、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合加工的方案，為保證成品精度，需按照適當提高半成品的應力釋放效果、有效降低精加工及后續工件變形的原則，制定如下加工工藝方案：整體粗車（10mm余量）→熱處理→整體半精車（6mm余量）→熱處理→二次半精車（3mm余量）→網格及缺口粗銑→冷熱循環處理→錐段精車→網格精銑→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、有針對性的補償措施，實現了該殼體工件的高精度車、銑加工，產品實物圖如圖7所示。具體有如下改進：（1）精度提升。相較于使用傳統方案加工的超差產品，應用新設計方案后加工的產品精度提升明顯，全部驗收尺寸均滿足設計要求，其中應用傳統方案加工的超差產品與應用新方案后加工產品實測值對比如表1所示。（2）效率提高。通過對加工中各環節有針對性的優化設計，考慮包括熱處理及輔助時間在內的完整加工周期，應用新設計方案后合格產品實際加工周期為22天，相較于傳統方案產品的加工周期35天，效率提高約37％。

7結語

根據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、補償加工方案，設計出一套經濟可靠的車銑低應力裝夾方案，輔以合理的切削參數選擇，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。為同類型產品的加工提供了可供借鑒的經驗及方案。

作者：李洋 崔鑫 趙怡 郭東亮 王元軍 單位：天津航天長征火箭制造有限公司