水下航行體殼體楔環內外止口加工工藝 方法的分析與實現

過群輝

（昆明船舶設備研究實驗中心，昆明 650200）

為便于對水下航行體楔環內外止口的加工工藝方法進行說明，以某型號水下航行體殼體為模型展開研究，旨在為水下航行體殼體楔環內外止口的加工提供合理的機械加工方法。某型水下航行體殼體的外徑為180mm，其中有4段殼體的聯接采用楔環的聯接方式。選擇合適的加工工藝方法，對合理利用資源、提高工作效率和提升產品質量具有決定性作用。本文在綜合考慮多種工藝方法的基礎上，采用兩種工藝方法進行殼體楔環內外止口的加工，并比較其優缺點。

1 楔環連接結構及零件模型

1.1 楔環聯接結構

如圖1所示，某型號水下航行體殼體楔環聯接結構在兩聯接端的外止口外部和內止口內部有一楔環槽，在內止口上有一個楔環開口。分段產品通過定位銷定位對接上以后，將帶銷楔環從內止口上的開口穿入到位，再通過帶銷楔環上的銷釘裝在外止口上，將楔環以相反的方向插入開口并到位，使得兩段殼體聯接處的端面緊靠在一起。在帶銷楔環和楔環之間的間隙用填片定位，防止楔環松動。此外，在楔環開口處裝配蓋板，并用螺釘將其固定在外止口上。

圖1 某型號水下航行體殼體楔環聯接結構

設計楔環時，將楔環的斜角設計為單線普通螺紋的螺紋升角，通過選用標準螺距和設計的殼體楔環槽外徑確定螺紋升角[1]，計算公式為：

式中，λ為螺紋升角，p為螺距，d2為螺紋中徑。

為了防止楔環松動，一方面需確保楔環斜角即螺紋升角λ小于摩擦角ψ，從而利用摩擦防松。螺紋升角λ通過螺距p的選擇來確定，摩擦角ψ通過楔環間的摩擦系數確定。另一方面，在楔環間增加填片，實現機械防松[2]。根據設計原理，可以通過楔環斜角求出螺距p，然后在普通車床上加工楔環。

1.2 零件模型

如圖2所示，要求零件模型對基準軸線的徑向圓跳動小于0.03mm，即楔環內外止口回轉體表面上各點到基準軸線間的最大距離不超過0.03mm。另外，該工藝要求楔環內外止口端面對基準軸線的垂直度不大于0.06mm，即楔環內外止口端面的平面度和對基準軸線的端面圓跳動均應小于0.06mm。這些要求說明楔環內外止口的加工須以外圓為同一基準進行加工，即第一種工藝方法。選擇設計基準作為定位基準、測量基準和工序基準，可在普通車床上實現楔環內外止口的加工。另外，在遵循基準統一原則的基礎上，可以把殼體內腔兩端的2×45°作為定位基準，即增加兩個在圖紙上沒做嚴格要求的尺寸。楔環內外止口的生產工藝要求對外圓基準A的跳動小于0.03mm。由于這兩個尺寸為錐度，使得跳動包含了徑向圓跳動和端面圓跳動，因此保證了定位基準能夠同時滿足楔環內外止口對基準軸線的徑向圓跳動小于0.03mm和楔環內外止口端面對基準軸線的垂直度不大于0.06mm兩個位置公差的要求，即第二種工藝方法。將設計基準轉換為殼體內腔兩端的2×45°的工藝基準作為定位基準，可在數控車床上實現楔環內外止口的加工。

圖2 零件模型

2 加工中工藝路線應遵循的原則

楔環內外止口模型的殼體為鑄造件，易產生砂眼、氣孔、縮孔和橢圓度等缺陷。因此，楔環內外止口應采取粗加工工藝，目的是在去除鑄造余量后進行探傷，篩選出無砂眼、氣孔和縮孔鑄造缺陷的零件毛坯[3]。精加工后的零件為了滿足耐壓試驗的要求，必須保證殼體壁厚滿足圖樣及技術條件的要求。工藝上應采取粗車，以內表面為粗基準來加工外表面，以保證內、外表面的同軸度，減小或消除橢圓度誤差的影響，從而控制殼體壁厚，達到耐壓要求。

在加工殼體時，鋁鑄件內應力很大。為滿足圖紙尺寸精度和形位公差的要求，工藝上應采取粗加工，表面留1.5～2mm余量，然后進行人工時效處理，目的是消除內應力，減少精加工時的變形量。精加工是為了減小切削深度和進刀量，提高機床切削速度，最大限度地消除切削加工應力，以滿足零件尺寸精度、形位公差及粗糙度的要求。

楔環內外止口模型的殼體壁較薄，裝夾易變形，若用一般的標準三爪卡盤裝夾，會產生零件夾持變形的問題。所以，應采用專用三爪或夾具夾持，將尾座上頂板頂緊，保證裝夾可靠且零件不變形。

3 在普通車床上實現楔環內外止口加工的工藝方法

該生產工藝對于加工楔環內外止口的車床有一定的技術要求。根據零件模型，應能達到精車外圓圓度允差0.015mm，直徑一致性0.02mm/300mm，機床主軸跳動軸向0.015mm，徑向0.01mm。在考慮定位誤差、夾具有關制造誤差、夾具（零件）在機床上的定位誤差、工件在切削過程中所產生的誤差和機床工作精度后，經檢定合格的車床才能夠滿足殼體的精度要求。在加工過程中，還應該有經計量合格的工藝裝備來確保零件的加工和測量，如表1所示。

普通車床上加工殼體的工藝路線：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工時效→半精加工→精加工外止口（普通車床）→精加工內止口（普通車床）→精加工外圓（普通車床）→后續工序→耐壓試驗。

4 在數控車床上實現楔環內外止口加工的工藝方法

在數控車床上加工楔環內外止口的精度指標均能滿足殼體精度要求，所需量具與普通機床相同。它與普通車床的工藝方法的不同在于裝夾方法和工藝路線。

分析零件模型可知，在加工楔環內止口時，將殼體內腔兩端的2×45°一起找正加工完成，然后作為定位基準，就能實現楔環的外止口和外圓一起加工，從而保證零件模型的尺寸和精度要求。經過半精加工后，在數控車床上先進行兩端內腔及內止口的加工，以保證模型的總長度要求，再進行兩端的2×45°的加工。另外，加工殼體時面臨的主要問題是如何對零件進行裝夾，實現外止口和外圓的加工。零件的定位可以采用錐度頂板，利用兩端的2×45°限制6個自由度，但需要工件的裝夾力滿足切削要求。

計算工件通過錐度頂板裝夾后，機床所能提供的工件夾持力為[4]：

表1 主要工藝裝備及功用

式中，P為機床尾座壓強，取最大值P＝3.3N/mm2；S為接觸面積，取最大值S＝1600mm2；f為摩擦系數；鋁和鋼的摩擦系數f＝0.17。綜合計算，可得F＝897.6N。

計算工件裝夾剛度，計算公式為：

式中，K為工件裝夾方式系數，兩頭頂針夾固時K＝48；E為工件材料的彈性模量，鋁合金的E=70GPa=7× 104N/mm2；I為工件的慣性矩，I=0.05d4=5.25×107mm2，其中d為車削后工件直徑；f為工件允許的彎曲度，f≤1/5直徑公差=0.04mm；l為工件長度，取所有殼體中最大長度，l=600mm。綜合計算，可得F′=1.176×1010N。

為簡便計算，按單位切削力的計算公式來計算切削力：

式中，p為單位切削力，鋁合金的p=833.9N/mm2；ap為切削用量，因為半精加工后余量為1mm，取最大值ap=1mm；f為進給量，取和單位切削力相匹配的數值f=0.3mm/r。綜合計算，F′=250.17N。

通過計算可知，工件切削力F′遠小于工件裝夾剛度F′，即車床對工件的切削力能保證殼體剛度允許的切削力要求，這樣工件在切削過程中不會發生振動，有利于保證工件粗糙度在公差范圍內。

工件夾持力F大于切削力F′，因此工件的裝夾能滿足車床對工件的切削力要求。計算工件夾持力F時考慮的是機床所能提供的最大夾持力，但實際上存在一定的風險。首先，機床提供的液壓壓強不能保持在最大值3.3MPa，一般情況下取1.2MPa。其次，殼體兩端的2×45°可能偏小，導致接觸面積大大縮小。再次，工件加工過程中夾具及工件上可能粘有潤滑劑，會使摩擦系數減小一個數量級。可見，實際應用中，工件的夾持力大幅減小，嚴重時將小于切削力，會導致工件在加工過程中發生滑動使工件報廢。

殼體內腔兩端單純依靠錐度頂板不能確保零件裝夾可靠，需要尋找一種可行的裝夾方式進行裝夾。一種方法是采用一端雞心夾另一端墊板夾固的方式進行裝夾，能保證零件可靠裝夾，但是外圓和外止口不能一次裝夾加工到位，會因重復裝夾影響零件形位公差，并且降低效率[5]。另一種方法是采用一端夾盤一端頂板夾固的方式進行裝夾，也能保證零件可靠裝夾，但是同樣存在上述的問題，且增加了裝夾找正的難度。

綜上所述，數控車床上加工殼體的工藝路線可確定為：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工時效→半精加工→精加工內止口（數控車床）→精加工內止口、外圓（數控車床）→后續工序→耐壓試驗。

5 結語

在普通車床上加工楔環內外止口的工藝方法對加工設備的要求不高，但加工周期長，對工人的技術要求較高，零件尺寸穩定性差，通常在加工數量少、數控機床負載率高的情況下采用。

在數控車床上加工楔環內外止口的工藝方法能滿足零件的圖紙要求，且尺寸穩定性好、加工周期短及操作工人勞動強度相對較低，適合中、小批量的生產加工。這種工藝方法常在殼體加工中采用，具有效率高（是普通車床加工楔環內外止口工藝方法的6倍）、加工的零件產品合格率高等優點，是一種高效、可行的加工方法。