□ 王東升 □ 王槐德

1.上海交通大學(xué) 空天學(xué)院 上海 200240

2.中航工業(yè) 空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽 471003

殼體是某型空空導(dǎo)彈彈體的重要組成艙段，其加工質(zhì)量直接影響整彈的工作安全性能。因此，合理制訂工藝流程以及有效的工藝措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)殼體的高質(zhì)量高效率加工至關(guān)重要。

1 工藝性分析

殼體是某型空空導(dǎo)彈重要承力部件。為減輕質(zhì)量、節(jié)省裝配空間，同時(shí)保證艙段裝配連接接口的剛度，殼體材質(zhì)選擇了密度低、強(qiáng)度高的硬質(zhì)變形鋁合金2A12，因殼體為薄壁筒形件，故材料切削加工工藝性較差。

1.1 鋁合金材料性能分析［1］

（1）鋁合金材料的塑性、韌性好，黏附性強(qiáng)，在切削過程中切屑不易分離，易黏附在刀具刃尖上形成積屑瘤，既損害刀具耐用度，又影響表面加工質(zhì)量。

（2）鋁的線脹系數(shù)是鋼的2.38倍，在切削過程中熱變形大，影響加工精度。

（3）鋁合金的彈性模量低，剛度差，切削變形大，且加工后易產(chǎn)生較大的彈性回復(fù)，影響尺寸精度與表面質(zhì)量。

（4）鋁合金硬度偏低，在加工、裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中極易劃傷、磕碰零件已加工表面，表面粗糙度與外觀質(zhì)量要求指標(biāo)難于保證。

1.2 零件結(jié)構(gòu)分析

殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，長度為L，外圓直徑為d，內(nèi)圓直徑為D，壁厚為t，孔徑與壁厚比值為58，屬薄壁件；長度與孔徑比值為6，屬深孔件；零件外圓上有1處窗口及13組帶有角向位置要求的孔或沉孔系，且有內(nèi)倒角加工要素，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；端部環(huán)槽是殼體與其它艙段連接裝配部位，其尺寸精度、形狀精度要求高，加工過程中要避免薄壁深孔件的變形，難度極大。

▲圖1 殼體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 主要尺寸精度及技術(shù)指標(biāo)要求

（2）環(huán)槽尺寸精度高，徑向尺寸公差0.087 mm，軸向尺寸公差0.04 mm，角度尺寸

（3）薄壁外圓上的窗口、孔系及沉孔系角向尺寸精度較高，均為±5′。

（4）殼體外圓、環(huán)槽外徑對(duì)內(nèi)圓的同軸度為φ0.05 mm，環(huán)槽端面跳動(dòng)為0.03 mm。

（5）內(nèi)圓、環(huán)槽角度斜面、定位孔等加工要素的表面粗糙度為Ra1.6。

2 殼體加工變形成因分析

殼體屬鋁合金薄壁深孔件，材料與結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了殼體存在剛度差、強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)，在切削加工過程中因受夾緊力、切削力、切削熱和殘余應(yīng)力的影響，極易產(chǎn)生變形，是實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)加工的最大瓶頸。因此，對(duì)殼體加工變形的成因進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的控制措施，減小加工變形，是提高加工精度與加工效率的關(guān)鍵。

在切削加工過程，影響薄壁鋁合金件加工變形的主要因素可以概括為以下幾個(gè)方面。

2.1 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力

殼體材質(zhì)為硬質(zhì)變形鋁合金2A12。為了獲得足夠的強(qiáng)度與韌性，該鋁合金毛坯必須進(jìn)行固溶與時(shí)效處理，而淬火過程將會(huì)產(chǎn)生很大的淬火殘余應(yīng)力［2］。在切削加工過程中，隨著材料不斷去除，零件截面尺寸和形狀不斷變化，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力將不斷釋放與重新分布，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在此過程將產(chǎn)生較大不可回復(fù)的變形。

2.2 切削力與切削熱引起的變形

在切削過程中，為了克服被加工材料的彈性變形、塑性變形以及刀具與切屑、工件之間的摩擦，會(huì)產(chǎn)生切削力和切削熱［3］。在切削力作用下，一方面因工件剛度低、材料彈性模量小，易產(chǎn)生回彈變形；另一方面，切削力較大，在超過鋁合金的屈服極限時(shí)，易引起工件的擠壓變形。另外，在切削熱作用下，因工件長度大，切削加工的走刀路徑長，工件加工表面的受熱情況不一致，溫度分布不均，將產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起變形。

2.3 工件的裝夾變形

殼體屬薄壁深孔鋁合金件，徑向剛度差，裝夾時(shí)的徑向夾持力若控制不當(dāng)，過大會(huì)導(dǎo)致工件被擠壓變形，影響加工表面的尺寸精度和形狀、位置精度；過小則易發(fā)生裝夾不穩(wěn)，工件滑移，嚴(yán)重影響尺寸加工精度。另外，如果夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)，將會(huì)引起附加應(yīng)力［4］，與切削應(yīng)力、熱應(yīng)力及工件固有殘余應(yīng)力耦合，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力重新分布，引起變形。

除上述不利因素外，機(jī)床和工裝的剛度、切削刀具和參數(shù)、切削參數(shù)和工藝系統(tǒng)散熱性等都對(duì)零件的變形有一定的影響。

3 工藝設(shè)計(jì)及技術(shù)措施

殼體壁薄孔深，結(jié)構(gòu)剛性差，加工變形嚴(yán)重，是影響加工精度和加工效率的關(guān)鍵問題。為了減小加工變形，提高加工精度，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，合理設(shè)計(jì)工藝方案及加工余量至關(guān)重要。

3.1 工藝方案設(shè)計(jì)

殼體加工成型后的壁厚為t，不足毛坯壁厚的1/8；質(zhì)量不足毛坯質(zhì)量的1/9，材料去除率高，加工變形嚴(yán)重。因此，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需劃分加工階段，分配加工余量，粗加工、半精加工和精加工分開進(jìn)行，逐步消除粗加工時(shí)因切削力過大而產(chǎn)生的變形，提高加工精度。另外，因殼體尺寸精度和形位精度要求高，精加工過程的工件變形極不利于加工精度的保證。因此，在粗加工與半精加工之后，需安排人工時(shí)效工序，通過冷熱循環(huán)穩(wěn)定化處理，充分消除工件內(nèi)應(yīng)力，減小精加工時(shí)的變形。工藝方案設(shè)計(jì)為“先粗后精，先內(nèi)后外”，工藝路線為：粗加工→人工時(shí)效（去除內(nèi)應(yīng)力）→半精加工→人工時(shí)效（去除內(nèi)應(yīng)力）→精加工。

工藝總體方案確定后，各加工要素精加工順序的合理安排對(duì)于提高工件加工精度和加工效率至關(guān)重要。結(jié)合工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，安排各加工要素精加工順序?yàn)椋簝?nèi)孔→環(huán)槽→端面定位孔→外圓→圓周窗口、孔及沉孔系。

3.2 加工余量設(shè)置

對(duì)于易變形的薄壁深孔鋁合金件，合理設(shè)置各加工階段的加工余量是有效控制加工變形、提高加工精度的重要措施。根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要通過車削加工來去除余量，因此，合理設(shè)置加工余量極為重要。在粗車階段，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)剛度及變形情況，應(yīng)盡可能多地去除各表面加工余量。在半精車階段，主要是消除粗加工的變形，同時(shí)為精車修復(fù)裝夾定位基準(zhǔn)，加工余量設(shè)置適量即可。精車成型階段要按設(shè)計(jì)圖樣要求保證工件內(nèi)外圓尺寸精度、表面質(zhì)量及技術(shù)要求，為減小加工變形，加工余量應(yīng)盡可能小，夠用即可。半精車及精車加工余量設(shè)置見表1。另外，因圓周窗口、孔及沉孔系的加工余量小，對(duì)工件變形的影響也小，可安排精銑工序一步加工到位，避免車削過程的斷續(xù)切削問題。

表1 加工余量參數(shù)

4 控制加工變形的技術(shù)措施

4.1 均勻去除毛坯徑向余量

為了減少對(duì)材料內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)減小毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放與重新分布對(duì)加工變形的影響，車削加工時(shí)應(yīng)盡可能保證刀具路徑與工件材料內(nèi)部的晶體排列方向一致，盡可能均勻去除工件圓管毛坯軸向整長范圍內(nèi)的徑向余量，以保證刀具路徑與工件圓管毛坯母線盡可能多的重合。而半精車、精車加工基準(zhǔn)面均由粗車成形或逐步修正成形，即刀具路徑由粗車刀具路徑過渡而來。因此，在粗車階段應(yīng)對(duì)工件毛坯內(nèi)外圓進(jìn)行找正，控制對(duì)邊4點(diǎn)跳動(dòng)不大于0.5 mm，以便車削時(shí)能均勻去除徑向余量。

4.2 提高工件剛度

殼體屬薄壁長筒件，在以卡盤夾持、中心架輔助支撐的裝夾方式車削內(nèi)孔時(shí)，因工件徑向剛度差，夾持處易受夾持力作用而產(chǎn)生變形，支撐處易受中心架滾輪的擠壓而產(chǎn)生變形。另外因工件剛度不夠，加工深孔時(shí)易產(chǎn)生切削振動(dòng)，嚴(yán)重影響內(nèi)孔尺寸精度及表面粗糙度。為此，在工件外圓恰當(dāng)位置設(shè)置具有一定剛度（厚度）的工藝臺(tái)階（如圖2），一方面可提高工件剛度，減小切削振動(dòng)，另一方面可提高中心架支撐處裝夾剛度，減小裝夾變形。而在車削外圓時(shí)，因剛度低，易產(chǎn)生切削振動(dòng)，尤其在剛度極弱的半精車、精車階段，更為嚴(yán)重。因此在薄壁筒形件的加工中，常采用填充機(jī)械加工法［5］解決。 在工件內(nèi)孔中填充橡膠板（厚度3～5 mm）貼合內(nèi)壁，當(dāng)工件回轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下橡膠板可均勻緊貼在內(nèi)壁上，起到增加壁厚、提高剛度、吸收振動(dòng)的作用，提高加工精度。

4.3 合理選擇工件的裝夾方式

裝夾方式的選擇，對(duì)于薄壁件的加工至關(guān)重要。合理的裝夾方式，可以有效控制裝夾變形，減小加工變形。在粗車階段，因工件剛度較強(qiáng)，且切削力較大，宜選擇三爪反撐、尾頂尖頂緊的裝夾方式加工外圓。選擇三爪夾持、中心架輔助支撐的裝夾方式加工內(nèi)孔，但夾持力須控制適當(dāng)。在半精車、精車階段，因工件剛度低，為了減小非均勻徑向力［6］對(duì)工件的影響，應(yīng)改用扇形軟爪夾持，增大工件夾持部位的受力面積，使徑向受力均勻，減小裝夾變形。工件的圓周窗口、孔及沉孔系在銑削時(shí)，因工件壁厚已成型，徑向剛度差，宜采用一端扇形軟爪反撐、一端堵頭頂緊方式加工，反撐力不宜過大，能夠克服法向切削力，加工時(shí)工件穩(wěn)定即可。

4.4 合理選擇刀具材料

在切削加工中，合理選擇刀具材料，對(duì)減小切削力及加工變形有重要意義。因鋁合金具有切屑不易分離、刀刃易產(chǎn)生積屑瘤等特點(diǎn)，要求刀具應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、韌性和高耐磨性。而工件尺寸精度與表面質(zhì)量要求較高，且壁薄易變形，要求刀具切削刃具有良好的鋒銳性。因此，可選用硬度、強(qiáng)度、韌性均高、耐磨性好以及刃口鋒銳的硬質(zhì)合金刀具。由于P系和M系硬質(zhì)合金刀具中含有與鋁材料親和性好的TiC成分，不利于切削，因此宜選擇K系硬質(zhì)合金刀具。為提高加工效率，粗加工階段選用沖擊韌性較高［7］、可承受大吃刀量的YG8刀具。為保證加工表面質(zhì)量，在精加工階段選用抗黏結(jié)性、抗氧化性較好的YG3刀具。

▲圖2 工藝臺(tái)階示意圖

涂層刀具與陶瓷、金剛石刀具均擁有良好的性能，但因涂層刀具刃口圓弧半徑大，鋒銳性差，切削過程的切削力大，易使工件變形。Al2O3陶瓷刀具材料與切屑（Al2O3）材料相同，親和性大，切削過程易產(chǎn)生黏結(jié)和積屑瘤，刀具耐用度差，而金剛石刀具價(jià)格昂貴，都不宜選作較高精度薄壁鋁合金件的加工刀具。

4.5 合理選擇刀具幾何角度

合理的刀具幾何角度，對(duì)減小切削力、切削熱和切削變形，提高加工精度和表面質(zhì)量至關(guān)重要。刀具前角的大小，決定著切削變形和刀具的鋒銳程度。前角大，刀具鋒銳，可減小切削力、切削熱和切削變形，但前角過大，會(huì)使刀具的楔角減小，刀具強(qiáng)度減弱。刀具后角的大小直接影響著刀具剛度，增大后角有利于提高刀具耐用度，但會(huì)削弱刀刃強(qiáng)度。工件材料強(qiáng)度、硬度較高時(shí)，應(yīng)取較小后角；工件材料軟、黏時(shí)，應(yīng)取較大后角［8］。結(jié)合殼體的材料特性、結(jié)構(gòu)特性及精度要求，選取刀具前角為12～17°，后角為8～10°；刀尖圓弧半徑取值時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮刀尖鋒銳性與耐磨性的要求，一般取值為R0.2～0.4，粗加工選較大值，精加工選較小值。

4.6 合理選擇切削用量

切削量的選擇，不僅直接影響切削力、切削熱和切削變形的大小，而且關(guān)系著刀具耐用度、工件加工質(zhì)量與加工效率。粗加工階段，為提高加工效率，一般都選取大的背吃刀量和進(jìn)給量。由于殼體壁薄、易變形，加工精度高，而且鋁件粗加工時(shí)的變形量直接影響最終精加工尺寸精度，因此在實(shí)際加工中宜選擇適中的背吃刀量（ap=1.5～2.5 mm）、進(jìn)給量（f=0.12～0.16 mm/r）以及切削速度（vc=300～400 m/min）。因?yàn)槭芮邢饔昧康挠绊懀瑸檫M(jìn)一步提高加工效率，在粗車階段可采用反復(fù)多層切削法［9］，在一次裝夾下完成多次進(jìn)刀加工，逐步去除過大的加工余量，不僅可以保證加工效率，也可以減小加工變形。在精加工階段，為了減小加工變形，提高工件的加工精度與表面質(zhì)量，應(yīng)選取較小的背吃刀量（ap=0.25～0.5 mm）、進(jìn)給量（f=0.5～0.1 mm/r）以及較高的切削速度（vc=500～600 m/min）進(jìn)行加工。

4.7 合理選擇切削液

殼體壁薄，熱容量較小，極易在切削熱作用下產(chǎn)生變形，導(dǎo)致高精度尺寸超差。因此，宜選用冷卻效果好的水基乳化切削液，并連續(xù)充分澆注。在實(shí)際加工中，選用2號(hào)乳化油加水稀釋成乳化液作為切削液。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 深孔精車技術(shù)

為了提高外圓及其圓周方向加工要素的裝夾基準(zhǔn)精度及一致性，精車內(nèi)孔時(shí)尺寸公差取值為0.05 mm，加工難度極大。為了解決此問題，一方面，在精車內(nèi)孔之前增加外圓半精車工序，修復(fù)裝夾基準(zhǔn)，提高裝夾精度；另一方面，裝夾時(shí)在扇形軟爪夾持部位對(duì)應(yīng)的臺(tái)階內(nèi)孔處，增配內(nèi)襯堵頭輔助支撐，提高裝夾剛度。車削時(shí)采取多層切削加工法，分3次進(jìn)刀，切削深度分別為0.4 mm、0.3 mm、0.3 mm，逐步去除余量，減小加工變形，提高加工精度。另外內(nèi)孔精車時(shí)，因孔徑比大，刀桿懸臂長，切削過程易產(chǎn)生振顫，嚴(yán)重影響加工精度。因此，選擇具備足夠抗彎強(qiáng)度和剛度的粗刀桿進(jìn)行車削是保證深孔加工精度的重要措施，精車刀桿如圖3所示。為解決深孔加工散熱難的問題，刀桿上設(shè)置了切削液導(dǎo)向槽，加工時(shí)切削液可通過導(dǎo)向槽直接澆注至刀具切削刃及工件切削部位，使其冷卻充分、散熱迅速。

▲圖3 精車刀桿示意圖

5.2 外圓精車技術(shù)

外圓精車時(shí)，內(nèi)外圓同軸度φ0.05 mm是加工難點(diǎn)。因工件剛度差，采用普通的徑向夾持方式加工時(shí)，易造成變形，導(dǎo)致加工精度難于保證。因此，宜采用軸向壓緊法加工。而采用兩端堵頭的裝夾方式加工時(shí)，受工件階梯內(nèi)孔之間同軸度誤差的影響，內(nèi)外圓同軸度指標(biāo)φ0.05 mm同樣難于保證。因此，設(shè)計(jì)了車工芯軸（如圖 4），以工件深孔內(nèi)圓定位，臺(tái)階淺孔后端面螺母軸向壓緊的裝夾方式加工。加工前，用四爪夾持車工芯軸，尾頂尖頂緊輔助支撐，通過四爪調(diào)整，找正芯軸，使兩端定位外圓跳動(dòng)不大于0.01 mm后，方可安裝零件進(jìn)行加工。除了合理設(shè)計(jì)工裝、選擇可靠的裝夾方式外，選用精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性好的機(jī)床進(jìn)行加工也是保證加工精度的重要措施。

5.3 圓周上窗口、孔及沉孔系的銑削技術(shù)

▲圖4 車工芯軸

殼體壁成型后，對(duì)圓周方向的窗口、孔及沉孔系進(jìn)行銑削，其難點(diǎn)是角向位置精度高，而受工件變形的影響，位置分散的沉孔系尺寸精度難于統(tǒng)一保證。加工時(shí)，選用了精度高、穩(wěn)定性好的帶回轉(zhuǎn)工作軸的立式加工中心VTC-20C，裝夾采用了主軸端扇形軟爪反撐、尾端堵頭頂緊的裝夾方式 （可選用兩端堵頭頂緊方式）。選用了硬質(zhì)合金銑刀，在沉孔加工時(shí)選用沉孔成型銑刀。利用逐點(diǎn)找正加工法可很好地保證圓周上窗口、孔及沉孔系的尺寸精度與角向位置精度，但找正時(shí)間長，加工效率低，難于滿足批量生產(chǎn)加工的要求。因此，在實(shí)際加工中，采用三段式找正加工法，即完成裝夾后，找正工件頭部、中間段及尾部三段外圓，使圓跳動(dòng)誤差不大于0.1 mm時(shí)再加工。因基準(zhǔn)深孔及臺(tái)階淺孔在成型加工時(shí)，已經(jīng)提高了公差要求及同軸度要求，三段式找正加工法易實(shí)現(xiàn)，不僅可以保證加工精度，也可以提高加工效率。

6 結(jié)束語

首批殼體采用了上述工藝技術(shù)進(jìn)行加工，多數(shù)零件的尺寸精度、表面質(zhì)量及技術(shù)條件均滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求，合格率達(dá)96%，直接驗(yàn)證了此工藝技術(shù)的可行性，同時(shí)說明了此工藝技術(shù)對(duì)于解決薄壁深孔鋁合金件的切削變形問題是有效的。通過對(duì)殼體零件的加工及現(xiàn)場(chǎng)情況分析處理，對(duì)薄壁深孔鋁合金件的加工有了比較深入的了解，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，可以為類似薄壁深孔件的加工提供借鑒。

［1］ 常永珍.鋁合金薄壁零件的機(jī)械加工工藝探討［J］.山西焦煤科技，2004（11）：30-32.

［2］ 王秋成，柯映林.航空高強(qiáng)度鋁合金殘余應(yīng)力的抑制與消除［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2002（3）：59-62.

［3］ 陳德蘭.控制薄壁零件變形的工藝措施［J］.裝備制造技術(shù)，2010（6）：119-120.

［4］ 孔嘯，李銘，卞大超.鋁合金薄壁零件切削加工變形控制技術(shù)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（2）：246-248.

［5］ 衛(wèi)光偉.薄壁圓筒零件的工藝措施探析［J］.裝備制造技術(shù)，2011（2）：90-92.

［6］ 裘俊彥，陳衛(wèi)紅，章磊.鋁合金薄壁筒形零件車削與夾具［J］.水利電力機(jī)械，2004，26（2）：47-48.

［7］ 黃鶴汀，吳善元.機(jī)械制造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［8］ 趙杰.某鋁合金類零件的加工工藝分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011，39（2）：130-131.

［9］ 張濤，李汝常，馮再新.大型鋁合金薄壁件精密加工技術(shù)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005（2）：61-63.