宇航产品中大锥度薄壁结构件的车削加工

分析了异形薄壁宇航零件的特点及加工难点，针对加工难点，通过设计大锥度薄壁结构件的工装，改进定位方法，创新加工方案，优化加工路径，控制切削变形，从而保证中大直径、大锥度薄壁产品的加工精度，实现了航天器研制过程中的高质量、批量化生产。

1 序言

宇航产品中大量采用大锥度薄壁结构件，此类产品存在零件尺寸大、壁薄、加工刚度差、易变形、装夹困难及切削加工过程振动等问题，导致零件表面质量控制难度大、加工效率低^[1]。

本文所述型号关键结构件结构特点为：锥度大、锥面长和壁薄等。受其自身复杂的结构特点的制约，实际加工中存在以下几方面加工难题：①装夹困难，定位基准、装夹方式及装夹位置的选择严重影响零件的加工精度。②易变形，该支架为典型的薄壁结构件，加工中随着材料的去除，内应力及热应力导致变形，且在加工过程中振刀严重。③加工过程中易产生双曲线误差，加工精度和效率难以保证。根据该结构件的加工特性，通过设计专用内外型定位工装，改进零件工艺加工方法，优化切削参数，有效突破中大型薄壁结构件的加工瓶颈，并实现该零件批量生产^[2，3]。

2 零件的结构特点

2.1 产品尺寸参数

零件材料为铸造铝合金（ZL205\T6），工艺要求小端直径（329±0.05）mm，大端直径（813±0.05）mm，大薄壁倾角26°2′，壁厚（3±0.05）mm，整体高度（587±0.05）mm，B端面平面度要求0.1mm。产品结构如图1所示。

a）三维结构

b）尺寸结构

图1　零件结构

2.2产品加工难点及解决方案

1）针对大锥角薄壁结构，设计专用内形加工支架、外形加工内锥胎（见图2、图3），有效增强产品加工过程中的刚度。采用该定位装夹方案确保产品定位精度高、装夹可靠、夹紧力导致的变形最小化。

图2 内形加工支架

图3 外形加工内锥胎

2）针对产品应力变形问题，合理改进加工工艺步骤，使加工中材料应力充分释放，优化加工切削用量，降低切削力和切削温度，控制产品变形，进而保证产品设计要求。

3）提高圆度变形控制、壁厚精度控制及尺寸测量精度等，从而提高产品加工精度的稳定性，实现定型批量化生产。

3 零件装夹

3.1 专用支撑架配合轴向压紧装夹

为保证零件在加工过程中均匀受力，防止径向变形，装夹采用轴向压紧方式。通过设计专用的支撑架配合顶盖板、中心拉杆，实现Z轴定位及不完全定位的方案。加工大端端面、芯腔内锥度面。第一步加盖板车削加工大端面，第二步采用三点定位法，内形加工支架均布安装三个压板，Z轴压住大端面B面，车削加工内锥面C面。基准面A面平面度必须达到产品平面度公差值的一半（0.05mm），进而保证内锥度面圆度要求φ（813±0.05）mm，壁厚公差要求±0.05mm，以及倾斜角度公差要求26.2°±2′。该定位装夹方案利用中大型薄壁产品设计基准作为加工基准，做到基准统一，提高了加工基准的可靠性和精度。有效解决了中大型薄壁类零件没有可靠定位基准、装夹固定点的难题。专用支撑架配合轴向压紧装夹方式如图4所示。

3.2 外锥面装夹

零件内锥面加工完成后产品的夹持刚度被严重削弱，加工外锥面D面装夹时极易产生夹紧力变形，引起工件圆度过度变化以及加工振动。为此，采用内圆锥形心轴定位，加Z向压紧的方案，提高工件定位精度、夹持刚度，使工件圆度在装夹状态下保持0.03㎜以内，满足设计需求。该定位方法增强了内外锥面同轴度，同时增强了产品刚度、切削过程的稳定性，降低了车削过程中切削变形。切削热传递快，降低了切削热对产品尺寸及几何精度的影响，大幅度提升装夹效率。外锥面装夹方式如图5所示。

图4 专用支撑架配合轴向压紧装夹

图5 外锥面装夹

3.3产品找正及测量

产品内外锥面加工完成后，大端与工作台贴合，以小端外径为基准打表，同轴度控制在0.03mm以内，找正产品，同时检查大端平面，平面度达到0.02mm以内。采用三点压紧的固定方法加工内圆φ（329±0.05）mm配合面。由于产品大端环形平面B面最大直径为950mm，产品高度达到587mm，环形平面B面宽度仅51mm，所以压紧后B面平面度对所加工的圆度影响较大。大端B面平面度及小端圆度变化趋势如图6所示。

图6 大端B面平面度及小端圆度变化趋势

4 刀具选择

产品材料为铸造铝合金ZL205，该材料具有良好的抗疲劳强度、塑性和韧性，车削时，切屑和刀具表面摩擦力大，容易造成粘刀。此外由于零件加工直径大，走刀时间长，材料去除量大的特点，要求加工刀具必需能够实现较大切削深度，并具有较好的耐磨性，因此，精车时，选用KYOCERA品牌SDJER3232 DEG150404R车刀，较大刀尖圆弧增强刀具寿命。刀具型号及切削参数见表2。

表1 刀具型号及切削参数

刀具型号

刀具材料

切削速度/（m/min）

进给量/（mm/r）

吃刀量/mm

刀尖圆弧/mm

SDJER3232

DEG150404R

HTi10-Az

560

0.2～0.3

0.5～0.15

R0.4

SDTCR3232

DCGT11308

HTi10-Az

330～430

0.5～0.7

1～2

R0.8

5 加工方案

通过对产品结构及材料特性进行分析，为有效控制加工过程中零件变形，制定加工方案：粗车→时效→半精车→时效→精车。通过安排两次时效工序，使应力得到充分释放，材料组织内应力、加工应力充分释放。半精车完成后，在内外径向留余量0.75mm，高度方向留余量2mm。

精加工路线采用先内后外加工、两次加工基准面B面的方案：（利用支架为定位基准）精车B面→精车C面（B面留余量0.3mm）→调头（利用锥度芯胎为定位基准）→精车D面、A面到图样要求尺寸精度→调头→精车B面（提高定位基准精度达到0.05mm以内）→调头加工小端内圆φ（329±0.05）mm(B面为基准)。

6 车削内外锥面时产生双曲线误差分析

产品车削中圆锥面大小端直径相差572mm，Z轴行程长、圆锥面面积大。锥面产生双曲线误差非常严重。车刀刀尖偏移中心旋转，使刀尖移动的直线轨迹不与圆锥体的母线重合（见图7），产生双曲线误差加工的内外圆锥体是旋转双曲线曲面（见图8）。产品的锥面直线度和锥度角要求非常高26.2°±2′，必须最大限度控制双曲线的产生。两平行曲面切割一个锥形曲面，相交形成双曲线交线，公式为
1＝（y²/k²）＋（x²/k²）＋（tana²/k²）（1）
式中，y是Z轴（长度）方向值（mm），x是X轴（直径）方向值（mm）；a是产品锥度（°）；k是两曲面之间的距离（刀尖与旋转中心的距离，mm）。
平行曲面之间垂直距离（其中一曲面通过回转中心）产生的最大双曲线误差即为产品内锥面直线度误差，产品技术要求小于0.03mm。

图7 刀尖移动的直线轨迹不与圆锥体的母线重合

图8 旋转双曲线曲面

通过计算加工该内外锥面时Z轴行程、圆锥面面积，得出车刀刀尖必须与锥体旋转中心等高，刀尖移动的直线轨迹必须与圆锥体的母线重合，刀尖高度和旋转中心的误差不能＞0.08mm。

精车锥体壁厚度2.96～3.05mm，符合公差要求，产品锥壁的上下位置处厚度差＜0.05mm。利用三坐标测量，内外圆φ（329±0.05）mm，圆度均＜0.08mm，和锥面直线度均＜0.03mm，锥面角度测量值均在公差要求±2′之内，锥面双曲线误差得到有效控制。

7 结束语

通过改进大锥度薄壁结构件的车削工装、创新加工方案及调整切削参数，完成了多型号薄壁锥壳体的加工，加工精度稳定，完全满足设计需求，节省了大量制造成本，缩短了生产周期，并且实现了产品的批量生产工艺定型。

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宇航产品中大锥度薄壁结构件的车削加工

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