大長(zhǎng)徑比薄壁零件加工工藝研究

賀 超，周 寅，賀方鑫，呂亞橋，李建中

(北方導(dǎo)航控制技術(shù)股份有限公司，北京 100176)

機(jī)械加工中對(duì)薄壁零件的定義是指壁厚在1 mm以下的金屬材料零件，這類零件具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊且節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，但在加工實(shí)現(xiàn)過程中卻異常棘手，原因是薄壁零件剛性差，強(qiáng)度弱，加工變形嚴(yán)重，幾何公差要求較高，對(duì)于批量大的生產(chǎn)大綱要求不易滿足，因此需要對(duì)零件結(jié)構(gòu)、材料、裝夾方式、刀具及參數(shù)選擇、加工參數(shù)選擇、程序編制等方面有極深的理論研究和技能掌握，并且要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，方能解決。

機(jī)械加工中對(duì)軸類零件根據(jù)長(zhǎng)徑比分為短軸、細(xì)長(zhǎng)軸和普通軸，軸的長(zhǎng)度與直徑相除得到的即是該軸的長(zhǎng)徑比，長(zhǎng)徑比<5的稱為短軸，長(zhǎng)徑比>20的稱為細(xì)長(zhǎng)軸，介于中間的稱為普通軸。細(xì)長(zhǎng)軸的加工難點(diǎn)包括剛性差，受重力、高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、刀具車削力(背向力、切削力和進(jìn)給力)、切削熱難散、膨脹度大的影響極易產(chǎn)生彎曲變形，造成徑向跳動(dòng)大、波紋現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生竹節(jié)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)床設(shè)備系統(tǒng)、工裝夾具設(shè)計(jì)、刀具及參數(shù)選擇、加工工藝安排、加工參數(shù)選擇、熱處理有極高的專業(yè)知識(shí)和操作技能要求。

1 大長(zhǎng)徑比薄壁零件

某型號(hào)關(guān)鍵零件(三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)屬于薄壁細(xì)長(zhǎng)類零件，總長(zhǎng)85.5 mm，細(xì)長(zhǎng)軸端直徑φ6.5 mm，長(zhǎng)徑比為13.15，該零件細(xì)長(zhǎng)端壁厚0.5 mm。技術(shù)要求為表面粗糙度0.8 μm，內(nèi)外孔同軸度要求0.02 mm(二維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示)。

圖1 零件三維圖

圖2 零件二維剖視圖

零件材質(zhì)為鋁7A04，按GB/T 4437.1—2000標(biāo)準(zhǔn)定義，屬超硬鋁，系高強(qiáng)度合金，其特性為可熱處理強(qiáng)化，通常在淬火人工時(shí)效狀態(tài)下，強(qiáng)度比一般硬鋁高，但塑性較低，可切削性在熱處理后良好，退火狀態(tài)下較低。

2 工藝分析

結(jié)合材質(zhì)和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，顯然該零件具有極易產(chǎn)生變形的特點(diǎn)。其加工難點(diǎn)有3點(diǎn)：一是壁薄，0.5 mm；二是較長(zhǎng)軸，長(zhǎng)徑比為13.15；三是光潔度高，表面粗糙度為0.8 μm。

經(jīng)認(rèn)真分析研判且結(jié)合實(shí)際試加工，最終確定該零件工藝路線為：1數(shù)車→2數(shù)車→3熱處理時(shí)效→4數(shù)車→5數(shù)車→6銑→7鉗→8數(shù)車→9刻線→10檢測(cè)及校正→11表面鍍金。其中，工序1、2和工序4、5為粗加工和半精加工去除材料余量，工序8為精加工成型，此道工序最為關(guān)鍵，為確保該零件加工質(zhì)量和效率，自工序8開始，開展工藝攻關(guān)探索，工序10對(duì)最終仍存在同軸度超差的零件通過設(shè)計(jì)選擇檢測(cè)和校正工藝裝置予以解決[1]。

3 方案確定及實(shí)施

工序1、2為粗加工去量，加工時(shí)產(chǎn)生比較多的切削熱，為保證刀具的有效壽命，同時(shí)為提高單位時(shí)間去除材料的效率，使用水基微乳化液對(duì)零件加工過程進(jìn)行冷卻降溫[2]。

工序3為消除內(nèi)應(yīng)力而采取熱處理時(shí)效環(huán)節(jié)，通過實(shí)際驗(yàn)證，熱處理時(shí)效溫度范圍定在(150±5) ℃和時(shí)效時(shí)間4 h并隨爐冷卻，能夠基本消除切削加工造成的內(nèi)應(yīng)力[3]。確保了后續(xù)加工不產(chǎn)生較大變形。

工序4關(guān)鍵在解決鉆孔母線偏差，為后續(xù)鉸孔做好準(zhǔn)備。通過分析計(jì)算，讓刀具廠商設(shè)計(jì)定制一把專用硬質(zhì)合金深孔鏜刀和一把深孔鉸刀(見圖3)，通過實(shí)際加工驗(yàn)證，解決了母線偏差，確保了本道工序的同軸度要求[4]。

圖3 定制鉸刀、刀盤及鏜刀

工序5關(guān)鍵在設(shè)計(jì)制作裝夾裝置，解決大長(zhǎng)徑外圓加工變形。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)制作2組鎖緊工裝(見圖4)，通過實(shí)際加工驗(yàn)證，有效控制了長(zhǎng)軸端加工變形[5]。

圖4 定制專用鎖緊工裝

工序6、7銑和鉗工序略過。

工序8最為關(guān)鍵。首先選擇一臺(tái)配備FANUC 0i-TD控制系統(tǒng)的小型排刀直導(dǎo)軌精密數(shù)控車床(見圖5)。該設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定，操作靈活便利，主軸帶空冷，受外界溫度影響較小，運(yùn)動(dòng)軸有預(yù)拉緊，重復(fù)定位精度達(dá)0.002 mm；精加工選用專門的金剛石刀具[6](見圖6)；數(shù)控加工程序如圖7所示，轉(zhuǎn)速半精車選取S=1 500 r/m，精加工S=1 200 r/m，進(jìn)給量F=0.05 mm/r，吃刀量ap=0.1 mm[7]；同時(shí)因幾何公差較嚴(yán)格，為減少人為測(cè)量誤差，改進(jìn)了測(cè)量方式，專門定制了專用測(cè)量裝置——專用偏擺測(cè)量?jī)x(見圖8)。

圖5 配備FANUC 0i-TD控制系統(tǒng)的小型排刀直導(dǎo)軌精密數(shù)控車床

圖6 金剛石刀具

圖7 數(shù)控加工程序

圖8 專用偏擺測(cè)量?jī)x

工序9，刻線略過。

工序10，檢測(cè)及校正。截止工序9之后，精加工φ6.5 mm時(shí)，為規(guī)避長(zhǎng)徑比較大加工產(chǎn)生的撓曲變形，在加工程序中對(duì)背吃刀量采取分段“竹節(jié)”補(bǔ)償，確保實(shí)測(cè)結(jié)果細(xì)長(zhǎng)軸外徑尺寸一致，避免形成“紡錘狀”[8]。

此時(shí)分別對(duì)幾批零件進(jìn)行檢測(cè)匯總，記錄了測(cè)量數(shù)據(jù)(見表1)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析還有近24.29%同軸度超差。

表1 校正前零件同軸度測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

工序11，表面鍍金，之后入庫(kù)存儲(chǔ)待裝配。

零件進(jìn)入總裝后在進(jìn)行裝配前打擺差時(shí)，仍出現(xiàn)不同數(shù)量的同軸度超差，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一年來積攢下來的在入庫(kù)前經(jīng)檢驗(yàn)合格的不同批次零件仍有1 300多個(gè)同軸度出現(xiàn)超差。

4 問題分析

此時(shí)為提升質(zhì)量合格率，減少經(jīng)濟(jì)損失，筆者選取了6個(gè)同軸度不同超差尺寸零件按10個(gè)位置進(jìn)行了三坐標(biāo)實(shí)際測(cè)量，圖9所示為選取的遠(yuǎn)端、近端、近遠(yuǎn)端以及中端4個(gè)特征圓柱軸線實(shí)測(cè)位置及結(jié)果，6個(gè)工件的具體檢測(cè)記錄取值見表2。

圖9 三坐標(biāo)實(shí)測(cè)過程圖

表2 同軸度偏移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)對(duì)同軸度不同超差零件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量后，將上述測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出該零件在材料力學(xué)變形分析上呈現(xiàn)前段彎曲變形(見圖10)。

圖10 零件加工應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形示意圖

5 校正裝置設(shè)計(jì)思路[9]及制作

此時(shí)，常規(guī)機(jī)械加工方法無法進(jìn)行改善，質(zhì)量合格率進(jìn)入瓶頸，通過結(jié)構(gòu)特征分析，針對(duì)同軸度超差的零件，設(shè)計(jì)制作了一套同軸度校正工藝裝置(見圖11)。

圖11 校正裝置三維模型及實(shí)物

之后直接固定部分超差零件大端而加壓細(xì)長(zhǎng)端進(jìn)行校正，但未達(dá)到校正結(jié)果時(shí)，大小端連接處發(fā)生斷裂(見圖12)或出現(xiàn)微觀組織受損。

圖12 校正過度產(chǎn)生斷裂示意圖

通過分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，圖12中圈出的位置會(huì)產(chǎn)生極大應(yīng)力集中，因此專門設(shè)計(jì)制作了根部支承保護(hù)環(huán)(見圖13)，通過克服細(xì)長(zhǎng)端彈性變形達(dá)到一定塑性變形來校正其偏差，實(shí)現(xiàn)零件滿足質(zhì)量要求，同時(shí)為保護(hù)細(xì)長(zhǎng)端設(shè)計(jì)制作保護(hù)套(見圖14)。

圖13 根部支承保護(hù)環(huán)三維模型及實(shí)物

圖14 保護(hù)套三維模型及實(shí)物

6 理論分析

6.1 材料力學(xué)性能分析

材料在受到外力、內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、變形與位移后，會(huì)經(jīng)歷3個(gè)階段：彈性階段、塑性階段、屈服階段。通過本校正裝置，可使該零件克服彈性階段達(dá)到一定的塑性階段，但不能達(dá)到屈服階段，造成零件材料組織斷裂?？紤]到用力大小會(huì)對(duì)零件變形產(chǎn)生不同結(jié)果，因此對(duì)零件校正進(jìn)行理論力學(xué)分析，確定同軸度不同超差最終施加載荷大小[10]。

6.2 理論計(jì)算過程[11]

根據(jù)零件和壓桿的受力分布，可將零件的壓力情況分布簡(jiǎn)化為如圖15所示。

圖15 零件受力力學(xué)示意圖

圖16 壓桿力學(xué)杠桿示意圖

通過理論計(jì)算求出不同超差值對(duì)應(yīng)的校正力F1，進(jìn)而按杠桿原理計(jì)算得出壓力載荷F。

通過施加外部載荷塑性彎曲實(shí)現(xiàn)校正共分4個(gè)階段：初始彎曲階段、彈性彎曲階段、塑性彎曲階段和卸載彎曲階段。零件結(jié)構(gòu)分析圖如圖17所示。

(1)

圖17 零件結(jié)構(gòu)分析圖

曲率計(jì)算公式為：

在外圈發(fā)生塑性變形、內(nèi)圈發(fā)生塑性變形的情況下，其彎矩計(jì)算可得：

式中，δ(z)為彈性變形區(qū)域與整個(gè)變形區(qū)域的比值，即彈性比，0≤δ(z)≤1。

在彎管曲率最大處施加反向載荷，當(dāng)彎管最外側(cè)處于屈服變形零界點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變符合胡克定律，即有：

塑性階段彎矩計(jì)算：

(2)

當(dāng)管內(nèi)無塑性變形時(shí)，d/D，彎矩與彈區(qū)比關(guān)系為[12]：

(3)

當(dāng)管內(nèi)表面出現(xiàn)塑性變形時(shí)，0≤δ(z)≤d/D，彎矩與彈區(qū)比關(guān)系為：

(4)

塑性彎矩和曲率之間的關(guān)系為[13]：

(5)

卸載后消失的彎矩為：

(6)

(7)

由式2和式7聯(lián)合得出：彈區(qū)比δ(z)=0.886 308，d/D≤δ(z)≤1，內(nèi)表面無連續(xù)塑性變形，得z=2.880 501×10-3m。

按壓桿受力力學(xué)杠桿示意圖，杠桿原理：

為方便實(shí)際操作校正時(shí)進(jìn)行力度掌控，每次將校正裝置放在電子秤上進(jìn)行校正，工裝放置好后進(jìn)行質(zhì)量清零，然后進(jìn)行施壓校正，此時(shí)秤上顯示質(zhì)量值即為載荷大小。因此將校正力換算為質(zhì)量。

同理可求得如下數(shù)據(jù)(見表3)。

6.3 實(shí)際操作驗(yàn)證

該理論計(jì)算過程未考慮通過聚四氟乙烯保護(hù)套傳遞壓力一定會(huì)造成衰減等綜合因素，需要確定一個(gè)衰減補(bǔ)償系數(shù)λ。因此，通過用電子秤稱重實(shí)際操作試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試方式是對(duì)不同超差尺寸零件進(jìn)行實(shí)際校正測(cè)試(校正后零件經(jīng)檢測(cè)滿足技術(shù)要求，即判定為合格)。同軸度實(shí)測(cè)校正數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表4。

表3 不同偏差理論計(jì)算校正力數(shù)據(jù)表

表4 同軸度實(shí)測(cè)校正數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過理論計(jì)算值進(jìn)行壓力校正實(shí)測(cè)，6組數(shù)據(jù)均滿足該零件同軸度要求(≤0.02 mm)，校正后的同軸度平均偏差值為0.012～0.015 mm，考慮到材料組織結(jié)構(gòu)的不均勻性、車削過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力各向異性以及手持位置的細(xì)微差異都會(huì)對(duì)實(shí)際力產(chǎn)生一定程度的影響，實(shí)際力與理論力相差不足實(shí)際力的0.1%，該理論數(shù)據(jù)完全滿足指導(dǎo)實(shí)踐的要求，可實(shí)現(xiàn)本研究方向目標(biāo)。

7 實(shí)施效果

該產(chǎn)品年度生產(chǎn)大綱較大，以往的合格率為55%～60%，經(jīng)過開展該零件加工工藝攻關(guān)研究，零件加工合格率提升到約為75%，通過校正裝置校正將質(zhì)量合格率提升到99.5%，除去材料本身缺陷造成的不合格外，基本實(shí)現(xiàn)質(zhì)量合格率100%。

按近幾年年度生產(chǎn)大綱為7 000件/年，零件財(cái)務(wù)核算平均費(fèi)用175.85元/件核算，按以往最高合格率60%計(jì)算，7 000×(1-60%)×175.85=492 380(元)。該零件技術(shù)工藝攻關(guān)研究的節(jié)創(chuàng)價(jià)值已是非?？捎^。

在機(jī)械加工經(jīng)檢驗(yàn)合格后，最后還有一道表面鍍金處理，費(fèi)用為130元/件，入庫(kù)存儲(chǔ)一段時(shí)期后，在實(shí)際裝配過程中發(fā)現(xiàn)同軸度還存在批量超差問題。截止發(fā)稿前通過自主設(shè)計(jì)的校正裝置及校正方法，已完成1 314件鍍金件的返修合格，僅此一項(xiàng)已為企業(yè)直接節(jié)創(chuàng)價(jià)值(175.85+130)×1314=401 886.9(元)，得到了企業(yè)的高度認(rèn)可。

8 結(jié)語

大長(zhǎng)徑比薄壁零件加工一直是機(jī)械加工行業(yè)難啃的一塊硬骨頭，也是機(jī)械加工從業(yè)者不愿直面的一道難題，此次加工工藝及校正方法的探索研究，讓我們積累了一定的加工經(jīng)驗(yàn)，加深了理論知識(shí)學(xué)習(xí)和掌握，培養(yǎng)了大國(guó)工匠科學(xué)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)精神，提升了企業(yè)高精端加工能力，歸納總結(jié)該類零件的特色加工方法，拓展了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為企業(yè)打造高精尖產(chǎn)品、促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。