關于薄壁管狀零件加工工裝優化技術的研究

喬裕

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西西安 710089）

1.薄壁管狀零件加工的難點分析

1.1 工件變形缺陷

對于薄壁管狀零件來說，其外徑相對較大，且管體長、管壁厚度薄、沒有法蘭約束結構，因此當其受到外部應力時，極容易發生變形，最終引發工件扭曲變形的問題。從加工工藝的角度來看，受到形位公差的影響，需要在同一次操作中完成內型面以及外型面的加工，此時會對毛坯內部在制造過程中所產生的參與應力進行釋放，由此導致工件發生變形[1]。若是應用車床卡盤、凹凸工件落實薄壁管狀零件的粗加工、半精細加工以及精加工，受到工件剛性相對較低、懸伸較大的影響，則需要工裝擁有更高的夾緊力。此時，如果將內孔設定為基準、配車實心鋁盤鑲嵌至孔內，結合外包套輔助裝夾的應用，在實際的薄壁管狀零件加工時已然面對著較高的變形隱患發生概率。

1.2 殼件變形缺陷

在車削加工階段，受到軸向切削力的影響，殼件極容易出現變形缺陷，引發這一問題的主要原因在于軸向裝夾方式有所不足。通常情況下，在車削加工階段，殼件在徑向裝夾狀態下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。當殼件中間位置的扭轉變形值達到最大時，這一扭轉變形達為徑向裝夾工況條件下的1/2；當殼件存在于徑向裝夾工況條件下時，則會在工件末端位置測量到扭轉變形的最大值。對比這兩種項不同工況條件下獲取到的扭轉變形最大值能夠發現，殼件在徑向裝夾狀態下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。

2.薄壁管狀殼件變形實際情況分析

設定薄壁管狀殼件在軸向裝夾條件下的受力模型，對軸向裝夾與徑向裝夾兩種工況條件下的殼件變形情況實施分析。

設定Tb為殼件中間位置受到的旋轉扭矩、設定Ta為殼件約束端A處受到的旋轉扭矩、設定Tc為殼件約束端C處受到的旋轉扭矩。參考靜力平衡方程，能夠計算表達式。結合殼件在兩約束端處面對的約束條件，可以確定出截面A相對于截面C的扭轉角為0，此時有計算式。

綜合扭轉變形條件、力學方程與扭矩計算公式以及扭轉變形的受力特征，能夠得到截面B的扭轉變形量，其表達式如下所示：

其中，a代表著A端與B位置之間的距離；b代表著C端與B位置之間的距離；G代表著材料的切變模量；Ip代表著殼件的極慣性矩；P代表著主軸輸出功率；z代表著車削截面與主軸裝夾之間的距離；L代表著殼件的總體長度；n代表著轉速。根據上述表達式，能夠推導出極慣性矩的計算式，即有：

其中，D代表著殼件的外直徑；d代表著殼件的內直徑。

在殼件位于主軸一端裝夾的條件下，結合扭轉變形以及能量原理，可以推出殼件車削加工截面的軸向扭轉位移以及扭轉變形表達式[2]，具體如下：

設定徑向裝夾以及軸向裝夾這兩種扭轉變形工況，對比兩工況條件下的殼件扭轉變形實際情況可以總結出，在車削加工階段，殼件在徑向裝夾狀態下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。當殼件B位置的扭轉變形值達到最大時，這一扭轉變形達為徑向裝夾工況條件下的1/2；當殼件存在于徑向裝夾工況條件下時，則會在工件末端位置測量到扭轉變形的最大值。對比這兩種項不同工況條件下獲取到的扭轉變形最大值能夠發現，殼件在徑向裝夾狀態下所承受的扭矩變形始終高于軸向裝夾。選定某一殼件作為樣本，主要參數如下：G取值75GPa；P取值22kW；z取值47mm；L取值94mm；n取值95r/min；D取值232mm；d取值228.5mm。利用該工件樣本對上文闡述分析的殼件變形規律展開驗證分析，將這些參數帶入上述表達式，可以得出如下結果：（1）徑向裝夾工況。最大扭轉角為12.27×10-5rad；變形量為12.65×10-6m。（2）軸向裝夾工況。最大扭轉角為3.07×10-5rad；變形量為3.17×10-6m。這一數據證實了上述分析結果。

3.薄壁管狀零件加工工裝技術的優化調整分析

3.1 專用工裝結構的設計及其優化

為了更好規避在殼件車削過程中出現扭轉變形的問題，應當優化三爪卡盤及輔助裝夾，換言之，需要展開專用工裝結構的優化設計。本研究設計了一種可以對殼件實施軸向裝夾操作的專用工裝結構（圖1），當進行內面型的加工時，在周圍均勻布置的拉桿的支持下（數量設定為4根），實現對端面環狀壓板的固定，促使止口端與壓板保持在接觸狀態，并保持壓板與外回轉面之間具有較為微小的間隙；在進行外面型的加工時，在螺桿的支持下，實現對端面壓板的緊固處理，促使工件端面與壓板保持在接觸狀態，并保持壓板與內回轉面之間具有較為微小的間隙。

圖1 專用工裝結構

3.2 加工工裝技術的優化

3.2.1 工藝調整措施

出于盡可能規避殼件加工過程中產生變形缺陷問題的考量，應當進一步落實對工裝工藝的調整。在此過程中，將依托三爪卡盤裝夾展開對粗加工、半精細加工以及精加工的一次性完成工藝，替換為依托三爪卡盤裝夾實施粗加工，并利用專用工裝實施半精細加工以及精加工的工藝，并進一步調整為應用專用工裝進行粗加工、半精細加工以及精加工。

3.2.2 其他工藝調整措施

第一，原材料方面的控制。依托零件用途以及性能要求，選取合適的薄壁管狀零件加工原材料、規格尺寸，在完成下料操作后，依托加熱實現擴口處理，并預留出充足的加工余量；參考相關技術要求，落實對零件的熱處理操作；展開變形力的抽樣檢測試驗，判斷材料性能是否達標，只有在全部達標的條件下才可以繼續進行后續的加工處理操作[3]。第二，車削刀具的合理選用。在展開精加工的過程中，重點關注刀柄剛度的維護，促使修光刃的長度保持在合理水平，同時保證刀刃鋒利。

4.結語

殼件在徑向裝夾狀態下所承受的扭矩變形遠遠高于在軸向裝夾狀態下所承受的扭矩變形。通過專用工裝結構的優化設計，能夠促使內面型加工與外面型加工在一次裝夾的條件下同時完成，兩工序的過渡自然且自動。同時，配合工藝調整以及原材料方面的控制、車削刀具的合理選用、控制切削用量合理，最大程度降低了薄壁管狀零件在實際的加工過程中發生變形問題的概率。