定向位移補(bǔ)償解決低剛性零件加工變形的方法

李 亮， 王 欣

（成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 611730）

0 引言

低剛性薄壁鈦合金零件在機(jī)械領(lǐng)域， 尤其是航天航空領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛；但此類零件結(jié)構(gòu)特征復(fù)查、形狀特殊、尺寸精度、形位公差要求高，在切削加工過程中由于其剛性差、受力不均，易產(chǎn)生變形及振動現(xiàn)象，導(dǎo)致零件加工尺寸精度低、形位公差低、表面粗糙度低，很難保證零件加工質(zhì)量； 因此低剛性薄壁鈦合金零件的加工一直是機(jī)械制造領(lǐng)域的難題， 也是企業(yè)提高產(chǎn)品成品率的攔路虎。 本文以一種U 型薄壁低剛性鈦合金軸架零件加工為例；通過零件結(jié)構(gòu)分析、工藝方案設(shè)計、變形分析預(yù)測、定向補(bǔ)償工裝設(shè)計、實(shí)際應(yīng)用成效，介紹一種通過定向位移補(bǔ)償解決低剛性航天薄壁零件加工變形的方法。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

該低剛性薄壁零件是航天領(lǐng)域一關(guān)鍵零件， 見圖1，材料是鈦合金（TC4R）。 毛坯是?100mm×100mm 棒料，重量3478g，成品質(zhì)量215g，材料切除率達(dá)93.8%，零件加工內(nèi)應(yīng)力較大。

圖1 U 型薄壁低剛性鈦合金軸架三維圖像

該零件結(jié)構(gòu)是開放性的U 型框架，U 型兩端壁厚薄， 跨距長，U 型下端連接部分離孔中心距遠(yuǎn)，U 型兩端孔剛性極差。 該零件工程圖紙見圖2；孔尺寸公差要求10μm，兩孔同軸度要求5μm， 兩孔相鄰安裝端面與兩孔軸線垂直度要求10μm，兩孔軸線與左端安裝面平行度要求25μm，距離公差要求20μm，粗糙度均達(dá)到1.6μm；此類形狀位置公差及尺寸公差單獨(dú)要求就已經(jīng)很高，而該零件將這些要求疊加在一起，導(dǎo)致此零件加工難度非常大。

圖2 U 型薄壁低剛性鈦合金軸架局部工程圖紙

從零件材料切除率、零件結(jié)構(gòu)、零件形位公差要求、尺寸公差要求等要素分析， 可知該U 型低剛性薄壁鈦合金軸架零件加工內(nèi)應(yīng)力大、加工變形大，很難保證零件加工后達(dá)到圖紙要求。

2 工藝方案設(shè)計

該U 型低剛性薄壁鈦合金軸架零件加工內(nèi)應(yīng)力大、加工變形大、精度高；為了使零件加工后達(dá)到圖紙要求，主要解決三個問題；①釋放加工內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸；②優(yōu)化裝夾方式，減小變形；③選擇合適刀具，提高加工質(zhì)量。

設(shè)計的詳細(xì)工藝方案如下：

加工階段為粗加工、半精加工及精加工。粗加工階段主要目的是切除大部分材料， 留一部分余量補(bǔ)償后續(xù)加工變形；然后通過人工時效熱處理釋放粗加工內(nèi)應(yīng)力；半精加工階段將內(nèi)腔、 形位公差及尺寸公差要求不高的部位加工到位，兩端孔系留余量進(jìn)行精加工；之后通過高低溫循環(huán)釋放半精加工內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定尺寸； 精加工階段采用專用工裝裝夾零件，通過精密車削（采用SANDVIK 品牌CoroTurn@107 型硬質(zhì)合金刀具）完成兩端孔系加工，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3 變形分析預(yù)測

零件車削時主要受到主切削力、背向力、進(jìn)給力，不同的力對應(yīng)不同的方向。對于該零件結(jié)構(gòu)情況，對零件質(zhì)量影響最大的力為進(jìn)給力，會同時影響零件表面粗糙度、端面與基準(zhǔn)的垂直度等。 因此本文對該零件車削時的進(jìn)給力進(jìn)行了分析和測量。 車削時進(jìn)給力主要受到切削深度影響， 采用較低的切削深度減小進(jìn)給力并同時考慮到加工效率問題，采用0.03mm 的切削深度，通過實(shí)際測量得到零件車削時的進(jìn)給力大小為10N。

分析測量出進(jìn)給力后， 可知， 在零件底面固定安裝后， 對零件剛度最低的位置施加10N 的進(jìn)給力來模擬實(shí)際切削時受力最惡劣的工作情況來分析零件變形最大的狀態(tài)。 通過對零件進(jìn)行有限元劃分、模擬分析，得到零件的應(yīng)力情況和應(yīng)變情況如圖3、圖4 所示。

圖3 零件應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 零件應(yīng)變分析結(jié)果

從應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，應(yīng)力為10MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度827MPa，表明零件不會出現(xiàn)塑性變形和斷裂現(xiàn)象；但從應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，在零件端面最高受力點(diǎn)位的變形達(dá)到了0.025mm 的變形， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖紙要求的位置公差（與AB 基準(zhǔn)垂直度優(yōu)于0.01 的標(biāo)準(zhǔn)）。 因此使得加工難度大大提高，很難達(dá)到質(zhì)量要求。

4 定向位移補(bǔ)償工裝設(shè)計

定向位移補(bǔ)償工裝是該零件精密加工的重點(diǎn)及難點(diǎn)，為保證該零件尺寸公差及形位公差要求，加強(qiáng)零件剛性，補(bǔ)償零件加工變形，提高生產(chǎn)效率；該工裝須同時具備定位、裝夾、支撐、補(bǔ)償變形、方便裝夾零件作用，具體設(shè)計的工裝如圖5 所示。

圖5 定向位移補(bǔ)償工裝

該定向位移補(bǔ)償工裝由花盤、豎直方向定位調(diào)整塊、水平方向定位調(diào)整塊、軸向定位塊、高精度支撐板、配重塊、支撐桿及螺釘?shù)冉M成。 花盤用于機(jī)床裝夾，提供高精度安裝基面。 豎直方向定位調(diào)整塊用于定位高精度支撐板、并可進(jìn)行豎直方向調(diào)節(jié)、滿足圖紙中51±0.01 尺寸的要求。水平方向定位調(diào)整塊用于定位待加工零件，并可進(jìn)行水平方向調(diào)節(jié)、滿足零件的對稱形。軸向定位塊用于軸向定位，滿足程序軸向不變性，提高批量生產(chǎn)效率。 支撐桿主要用于提高零件剛度， 減小零件加工時的變形及補(bǔ)償零件變形。配重塊主要用于配重，使得零件安裝在高精度工裝上后，整體的重心位于車床的旋轉(zhuǎn)中心上，避免零件旋轉(zhuǎn)時偏擺帶來振動及誤差。

根據(jù)零件車削加工時受力情況， 對補(bǔ)償工裝優(yōu)化后的零件再次進(jìn)行有限元分析， 得到零件的應(yīng)力和應(yīng)變情況如圖6、圖7 所示。

圖6 優(yōu)化支撐后應(yīng)力情況

圖7 優(yōu)化支撐后應(yīng)變情況

從應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，應(yīng)力為3.87MPa，比優(yōu)化前應(yīng)力降低了61.3%， 并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度827MPa，表明優(yōu)化后的零件強(qiáng)度明顯高于優(yōu)化前， 并且不會出現(xiàn)塑性變形和斷裂現(xiàn)象；從應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，在零件端面最高受力點(diǎn)位的變形為0.010mm， 比優(yōu)化前的變形減少60%，表明優(yōu)化后的零件剛度明顯提升，但是仍然接近圖紙要求的位置公差（與AB 基準(zhǔn)垂直度優(yōu)于0.01 的標(biāo)準(zhǔn)）。 因此加工難度仍然很大，很難達(dá)到質(zhì)量要求。

通過上述分析，確定優(yōu)化后的變形為0.01mm；因此將支撐桿設(shè)計為兩體可伸縮式結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 支撐桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

通過旋轉(zhuǎn)支撐桿螺紋，使支撐桿伸長， 使零件向外擴(kuò)張，補(bǔ)償切削加工時的變形，采用杠桿千分表監(jiān)視零件變形處表面，讓零件擴(kuò)張0.01mm； 再開始車削加工；采用這種定向位移補(bǔ)償來解決低剛性薄壁鈦合金航天零件的加工變形問題。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

采用定向位移補(bǔ)償工裝進(jìn)行精密加工后， 零件成品率從原來加工方式的70%～80%之間， 提高到了約95%，極大提高了產(chǎn)品質(zhì)量；同時提高了生產(chǎn)效率，原加工1 件的時間需要2h，現(xiàn)加工1 件的時間只需要1h；生產(chǎn)效率提高100%；工裝的實(shí)物圖片以及加工好的成品零件如圖9、圖10 所示。

圖9 高精度工裝實(shí)物

圖10 加工好的零件

6 結(jié)束語

本文結(jié)合具體加工實(shí)例詳細(xì)介紹了一種低剛性薄壁鈦合金框架類零件加工方法；重點(diǎn)對加工零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，變形分析及預(yù)測，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、圖紙質(zhì)量要求設(shè)計了工藝方案；設(shè)計了能夠同時實(shí)現(xiàn)定位、裝夾、支撐、補(bǔ)償變形、方便裝夾的工裝，提出了定向位移補(bǔ)償變形方法成功解決了零件加工過程中的震動、變形問題。 此制造方法保證了低剛性薄壁鈦合金框架零件的尺寸精度、形位公差以及表面粗糙度等各項質(zhì)量要求，為實(shí)際零件制造提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有非常強(qiáng)的操作性、指導(dǎo)性和推廣性，同時也為類似零件的加工提供了加工經(jīng)驗和解決方法。