复杂型面薄壁固定框的加工工艺研究.pdf

复杂型面薄壁固定框的加工工艺研究 芏毽 任长洁梁克西 ( 西安航天动力机械厂，西安7 1 0 0 2 5 ) 摘要：通过分析某产品固定框的结构特点和材料特性，制定了加工工艺方案，确定了 数控程序编制原则，并选择合理的切削参数和刀具，经过小批量生产验证，证明满足设计 要求，加工效果良好。 关键词：固定框；变形控制；数控加工 M a c h i n i n gP r o c e s sS t u d yo nT h i l l - w a l l e dF i x i n gF r a m eo fC o m p l e xS u r f a c e R e nC h a n g j i e L i a n gK e x i ( X i a l l A e r o s p a c eP o w e r M a c h i n eF a c t o r y , X i a l l 7 1 0 0 2 5 ) A b s t r a c t ：B ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ep r o d u c tf i x i n gf i c h e ， m a c h i n i n gp r o c e s s i n gp l a ni sf r a m e da n dp r i n c i p l e so f n u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a m m i n ga r cd e f i n e d - t h e nv a l i de u n i n g p a r a m e t e r sa n dc u t t i n gt o o l sa r ec h o s e n S m a l lb a t c hp r o d u c t i o np r o v e st h a ti tc a l lm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d h a sg o o dp r o c e s s i n ge f f e c t K e yw o r d s ：f i x i n gf l m e ；d e f o r m a t i o nc o n t r o l ：n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g 1 引言 超高强度钢的应用极大地提高了导弹武器的打 击范围及突防能力，满足了火箭发动机高比强度、高 韧性、高质量比的要求，而超高强度钢的加工存在切 削力大、切削温度高、刀具磨损快、刀具耐用度低和 生产效率低的问题：同时为了满足发动机减重的要 求，零件的形状越来越复杂、精度要求越来越高、零 件壁厚越来越薄、加工难度越来越高，因此只有采取 有效的控制措施，采用数控精密加工等方法才能满足 零件的加工要求。 2 零件的技术难点分析 某产品固定框是发动机的主要承力件之一，材料 为D 4 0 6 A 钢，热处理硬度为H R C 4 8 5 2 ，是典型的 框架式非对称结构( 如图1 所示) ，零件长度为 1 8 5 m m ，宽度为8 8 m m ，内腔为变壁厚复杂曲面，最 大壁厚为2 m m ，最小壁厚只有l m m ，上端面为偏心 圆柱面，易产生扭曲变形：而内腔底面装配防爆玻璃， 装配精度要求高，平面度要求不大于0 0 2 m m ，超差 易导致防爆玻璃安装时破碎。因此，如何控制加工变 形，保证内腔配合面的形位精度是保证零件满足设计 要求的关键。 3 加工过程中采取的工艺措施 3 1 加工工艺方案 根据零件的结构特点和材料特性，为减小加工变 形，该零件的数控加工采用铣削加工，分为粗加工、 半精加工和精加工三个阶段。 粗加工主要目的在于去除大多数的加工余量。考 作者筒介，任长洁( 1 9 6 6 - ) 高擐工程师材料加工工程专业I 研究方向：发动机 叠材料和先进加工技术 收藕日期。2 0 1 I 0 6 0 2 万方数据 羽造技术研究2 0 1 1 年8 月第4 期 虑零件的热处理变形及加工变形的因素，零件所有表件主要特性尺寸和表面粗糙度的要求，满足内形面较 面均留有2 m m 的加工余量；半精加工在零件调质处高的形状和位置精度。同时为了减少应力变形的影 理后进行，为了减少大吃刀量引起的切削热变形和残响，在半精加工前安排一次人工去应力失效，半精加 余应力变形，半精加工分两次进行，加工余量分别为工后增加一道平磨工序，为精加工提供高精度的定位 l m m 和O 7 m m ：数控精加工工序的主要目的是保证零基准。 少一瞳 1 5 1 。_ 。 I l 宕 ：g 一N 甲宁 昌甲 r 一 一F i ， r 厂 ， 卜 莎 1 一_ E 旦 一_ E J 叭& 、y L 7 叫墨一 1 1 5 一拶 Vy 太l , s 3 气- 1 0 图1 堵盖固定框的结构示意图 3 2 数控程序的编制 3 2 1 程序编制的原则 通过S o l i d w o r k s 建立零件的三维模型，对自动生 成的数控加工程序进行优化和处理，达到提高机床的 加工效率，减少加工时间，提高工件的加工质量的目 的；同时经过刀具轨迹检查和零件的仿真加工，保证 了加工程序的正确性。 粗加工中采用大余量的等高铣削对称去除材料 的加工方式，选择合适的吃刀量进行分层切削，保持 刀具切削受力均匀，有效地防止过载和冲击，减少铣 削过程产生的加工应力造成的零件变形。 半精加工是去除零件表面热处理的氧化层和多 余的材料，为精加工提供定位基准。由于热处理后材 料的硬度较高，同时半精加工的精度对零件的最终精 度和表面质量及刀具的寿命等有至关重要的影响，因 此半精加工分为两次进行，并且按照以固定框内腔型 面底面为基准加工外形面，然后以固定框外形底面为 基准加工内腔型面。半精工完成后要求除固定框外形 底面留0 1 m m 的磨削余量外，其余外形尺寸加工到最 终尺寸；内型面留余量为0 3 m m 。 精加工为数控加工的最后一道工序，其目的是保 证零件图纸要求的尺寸精度和表面质量要求。对固定 框零件主要是保证内形面的尺寸精度及表面粗糙度 的要求。因此，要求加工过程中连续加工，并且进、 退刀尽量选用不会出现接刀刀痕的料外进、退刀方 式；另外，内型面加工时侧面和底面要分开加工，采 用不同的刀具，以提高零件的表面质量。 3 2 2 数控切削参数的选择 为了充分发挥机床的功能和刀具的切削性能，最 大限度地提高生产效率，必须对数控加工的切削参数 加以优化。切削参数主要包括：主轴转速( S ) 、吃刀 量( 口D ) 及进给速度( ，) 等。不同的加工阶段，应 选用不同的切削参数。 根据零件的内型面的结构特点，半精加工和精加 工设备选用可以三轴联动的小巨人V T C 2 0 B ，切削参 数选择：半精加工S = 3 0 0 0 - - - - 4 0 0 0 r m i n ，a p = 0 2 - - 0 2 5 ， 万方数据 制造技术唧宽航天制造技术 F = - 2 0 0 0 2 5 0 0 m m m i n ：精加工S = - 5 0 0 0 - - 一6 0 0 0 f f m i n ， a o = 0 0 5 0 1 ，F = - 2 5 0 0 3 0 0 0 m m m i n 。 另外，考虑初始进刀时刀具端面受力较大，应采 用相对较慢的进给速度，避免刀具产生振动。 3 3 数控刀具的选择 由于工件的材料为低合金超高强度钢，切削力较 大，所以刀具的材料选用高性能硬质合金Y N 0 5 。粗 加工和半精加工选用口2 0 m m 的镶齿立铣刀和球面棒 铣刀，在精加工内型面加工时侧面和底面要分开加 工，采用不同的刀具，内腔侧面选用西l O m m 球头棒 铣刀以保证刀具的半径小于零件内形面的最小曲率， 内腔底平面采用O l O m m 的整体立铣刀以保证平面度 要求。 4 加工效果 通过采取以上工艺措施后，经过首件试加工和零 件小批量的验证，证明零件的加工变形得到了控制， 提高了零件的尺寸稳定性，保证了零件的关键尺寸和 精度要求，满足了零件的设计要求，避免了人工修磨， 生产效率也得到了极大提高，缩短了零件的生产周 期，同时降低了生产成本。 5 结束语 该固定框为发动机的主要承力件之一，具有壁 薄、刚性差、零件内型面为复杂曲面，精度要求高， 为保证其内型面的精度要求，采用数控高速铣削技 术、优化工艺参数，增加人工时效处理，并采取平磨 精加工基准面等控制变形措施措施，解决了该固定框 薄壁型腔的精密加工难题，满足了零件的设计要求， 提高了生产效率，缩短了加工周期。 参考文献 1 王文理大型整体钛合金框的致控加工技术航空制造技术，2 0 1 0 ( 2 4 ) z 6 5 6 7 2 李睁，刘强中低速数控铣削参数优化技术研究及应用航空制造技术， 2 0 1l ( 5 ) ：6 4 6 8 3 王再尧，张宁键，赵永红钛合金合体的数控加工航空制造技术。 2 0 1 0 ( 2 1 ) l5 4 5 6 4 邹喜洋难加工材料的特性及其应用前景金属热处理，2 0 0 3 ( 4 ) - 4 5 5 王艳，乔吉超典型钛合金壳体零件加T _ Z 艺制造技术与机床，2 0 0 7 ( 7 ) ： 1 2 6 1 2 8 V VVVVVVVV VVVVVVV VVVV VV VVVVVVVVVyVVV VVV VV ( 上接第1 4 页) 工件热处理前圆度，标记工件大、小径位置，使整形 工装开口处与工件小径一致，保证整形后工件圆度。 d 控制热处理整形工装装配力度，通过工艺试 验，摸索装配力度与整形后工件外径缩径量的关系， 找出合适的力度值，使工件热处理整形后外径控制在 鲥5 0 5 - - - , 4 5 1 3 m m 范围内。 7 3 加工工艺性 通过工艺试验，摸索前连接件倒坡口后，前连接 件外径与锥形筒体对接处外径尺寸关系，达到易于装 配，且满足焊接错位、焊接间隙的要求。通过大量试 验摸索，最终得出：当前连接件在车加工时，装配校 圆工装，找正前连接件外圆在0 2 m m 以内时，车对接 外圆，外径尺寸加工到比锥形简体对接处外径小 0 4 0 6 m m 时，去掉校圆工装，前连接件对接处翻边 扩口约0 1 O 3 m m ，装配焊接工装，与锥形简体装配， 满足焊接装配要求：对接间隙0 2 0 m m ，对接错位 0 3 0 r a m ：很快完成装配工作，大大提高了生产效率。 8 结束语 实践应用证明，固体火箭发动机用大直径D 4 0 6 A 钢连接件的加工工艺路线正确；加工工艺方法合理、 可行：加工出的工件均满足要求，合格率达1 0 0 。 它通过对各零件的加工工艺控制，达到了控制组件工 艺质量的目的。此工艺方法经批量生产考验，可大大 提高生产效率，降低生产成本，带来很好的经济效益 和社会效益，并为其它型号D 4 0 6 A 钢前连接件的加 工提供了工艺技术支持。 参考文献 l 张耀寰等机械加工工艺设计使用手册北京t 航空工业出版社，1 9 9 3 2 运强。李保章实用车削操作技巧4 5 0 例北京t 化学工业出版社2 0 0 6 3 中华人民共和围困家军用标准G J B 3 3 2 6 - - 9 8 固体火箭发动机用超高 强度钢棒规范 4 李占文饭金工操作技术北京t 化学工业出版社。2 0 0 7 5 刘湘云等冷冲压工艺与模具设计北京t 航空工业出版社1 9 9 4 6 邱宣怀，等机械设计( 第4 版) 北京高等教育出版社，1 9 9 7 2 7 万方数据