大锥度薄壁结构件的车削加工

1前言

航空航天产品中大量使用大锥度薄壁结构件。这些产品存在尺寸大、壁薄、加工刚性差、易变形、装夹困难以及切削过程中的振动等问题，导致表面质量控制困难，加工效率低[1]。

本文介绍的关键结构件的结构特点是:大锥度、长锥面、薄壁等。受制于自身复杂的结构特点，在实际加工中存在以下加工问题:①装夹困难，定位基准、装夹方式、装夹位置的选择严重影响零件的加工精度。②容易变形。支架是典型的薄壁结构。随着材料的去除，加工过程中内应力和热应力导致变形，加工过程中刀具振动严重。③加工过程中容易出现双曲线误差，加工精度和效率难以保证。根据该结构件的加工特点，通过设计专用的内外定位工装，改进零件的加工方法，优化切削参数，可以有效突破中大型薄壁结构件的加工瓶颈，实现该零件的批量生产[2，3]。

2零件的结构特征

2.1产品尺寸参数

零件材质为铸造铝合金(ZL205\T6)，工艺要求为小头直径为(329±0.05)mm，大头直径为(813±0.05)mm，大薄壁倾角为26±2′，壁厚为(3±0.05)mm，总高为(587±0.05)mm，产品结构如图1所示。

2.2产品加工难点及解决方案

1)针对大锥角薄壁结构，设计专用内加工支架和外加工内锥胎(见图2和图3)，有效增强产品加工时的刚性。定位夹紧方案保证定位精度高，夹紧可靠，夹紧力引起的变形最小。

2)针对产品受力变形问题，合理改进加工步骤，充分释放加工过程中的材料应力，优化加工切削量，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、壁厚精度控制和尺寸测量精度等。从而提高产品加工精度的稳定性，实现定型批量生产。

3个零件夹紧

3.1带轴向压缩夹紧的特殊支撑架

为了保证零件在加工过程中受力均匀，防止径向变形，采用轴向压紧进行夹紧。通过设计特殊的支撑架配合上盖板和中心拉杆，可以实现Z轴定位和不完全定位。型芯型腔大端面和锥面的加工。第一步是盖板，转大端面，第二步是用三点定位法。三块压板均匀安装在内加工支架上，Z轴压紧大端面的B面，车削内锥面的C面。基准面A的平面度必须达到产品平面度公差值的一半(0.05mm)，从而保证内锥面的圆度要求φ(φ(813±0.05)mm，壁厚公差要求0.05mm，倾角公差要求26.2±2′。该定位夹紧方案采用中大型薄壁产品的设计基准作为加工基准，使基准统一，提高了加工基准的可靠性和精度。有效解决了中大型薄壁零件没有可靠的定位基准和夹紧固定点的问题。轴压专用支撑架的夹紧方式如图4所示。

3.2外锥面的夹紧

零件内锥加工后产品夹紧刚度严重减弱，外锥D面夹紧时容易发生夹紧力变形，导致工件圆度变化过大，加工振动。因此，采用内锥形芯轴定位、Z向压紧的方案，提高工件的定位精度和夹紧刚度，使工件在夹紧状态下的圆度保持在0.03㎜以内，满足设计要求。该定位方法提高了内外锥面的同轴度，增强了产品的刚性和切削过程的稳定性，减少了车削过程中的切削变形。快速切削传热减少了切削热对产品尺寸和几何精度的影响，大大提高了夹紧效率。外锥的夹紧方法如图5所示。

3.3产品校准和测量

产品内外锥面加工完成后，将大端贴在工作台上，以小端外径为基准定表，同轴度控制在0.03mm以内对准产品，同时检查大端平面，使平面度在0.02mm以内，内圆φ(φ(329±0.05)mm配合面采用三点压入法加工。由于产品大端的环形平面B的最大直径为950mm，产品的高度为587mm，而环形平面B的宽度只有51mm，所以压出的平面B的平面度对加工产品的圆度影响很大。大端B的平面度和小端的圆度的变化趋势如图6所示。

4工具选择

材料为铸造铝合金ZL205，具有良好的抗疲劳强度、塑性和韧性。车削时，切屑与刀具表面的摩擦力较大，容易造成刀具卡死。另外，由于加工直径大、切削时间长、材料去除量大的特点，要求加工刀具必须能达到较大的切削深度，并具有良好的耐磨性。所以精加工时选用京瓷品牌SDJER3232 DEG150404R车刀，更大的刀尖圆弧增强刀具寿命。刀具型号和切割参数见表2。

5加工方案

通过对产品结构和材料特性的分析，为有效控制零件在加工过程中的变形，制定了加工方案:粗车→时效→半精车→时效→精车。通过设置两次时效过程，使应力得到充分释放，材料结构中的内应力和加工应力得到充分释放。精加工半车后，在内外径向留0.75mm余量，高度方向留2mm余量。

精加工路线采用先在基准面B内侧加工，再在基准面B外侧加工两次的方案:精车B面(以支架为定位基准)→精车C面(留0.3mm余量)→在B面上)→调头(以锥形芯胎为定位基准)→精车D面和A面至图纸要求的尺寸精度→调头→精车B面(将定位基准精度提高到0.05mm以内)→调头加工小端内圆。

6车削内外锥面的双曲线误差分析

车削时圆锥面大小端直径差572mm，Z轴行程长，圆锥面面积大。锥面引起的双曲线误差是很严重的。车削刀尖从中心偏移旋转，使刀尖的直线轨迹与圆锥体的母线不重合(见图7)。产生双曲线误差加工的内外锥面是旋转双曲线面(见图8)。要求产品圆锥体的直线度和锥角为26.2° 2′，所以双曲线必须控制到最大程度。两个平行面截一个圆锥面，相交形成双曲交线。公式是

1=(y2/k2)+(x2/k2)+(tana2/k2) (1)

公式中，y为z轴(长度)(mm)方向值，x为x轴(直径)(mm)方向值；a是产品锥度()；k是两个曲面之间的距离(刀尖与旋转中心之间的距离，mm)。

平行面(其中一面过回转中心)之间的垂直距离引起的最大双曲线误差为产品内锥的直线度误差，产品技术要求小于0.03mm

通过计算加工内外锥面时的Z轴行程和锥面面积，得出车刀刀尖必须等于锥面的旋转中心，刀尖的直线轨迹必须与锥面的母线重合，刀尖高度与旋转中心的误差不能大于0.08毫米

车床锥壁厚度为2.96 ~ 3.05毫米，符合公差要求。产品锥壁上下位置厚度差< 0.05 mm，采用三坐标测量，内外圆φ(φ(329±0.05)mm，圆度< < 0.08mm，锥体直线度< < 0.03mm，锥角测量值在公差要求±2 '以内，锥体双曲线误差得到有效控制。

7结束语

通过改进车刀，创新加工方案，调整大锥度薄壁结构件的切削参数，完成了多种类型薄壁锥壳的加工，加工精度稳定，完全满足设计要求，节约了大量制造成本，缩短了生产周期，实现了产品的批量生产工艺定型。