機械工藝人看過來：破解薄壁零件加工難題案例分析
- 作者：高歌 李健
- 航空工業空空導彈研究院
冷屏作為超薄壁殼體結構，外形尺寸φ20mm×14mm，壁厚0.2mm左右，零件由多個臺階圓、2個很深的內環槽、錐面和2個凸臺組成，內環槽中間的隔板也僅厚0.25mm，結構非常複雜，同時精度要求高，加工難度極大，經過反覆分析，找到了獨特的解決方法。
一、零件分析
零件材料為NCu30-4-2-1蒙乃爾棒，是一種以金屬鎳為基體新增銅、矽、鐵、錳等其他元素而成的合金，其中矽含量高達4%以上，使得此合金比普通蒙乃爾合金韌性好，強度更高，硬度更高，是一種難加工材料。
圖1所示為冷屏零件模型，零件為典型的薄壁結構。由於零件內孔最小處僅有φ6+0.10/+0.02mm，而外圓最大處達到φ20.70/-0.21mm，沒有合適的管材，只能使用φ45mm蒙乃爾棒加工，加工餘量大，內部完全掏空，材料去除率達99.7%以上。整個零件平均壁厚0.25mm，最薄處壁厚僅為0.15mm，內部存在兩個4mm寬的深內環槽，與一個錐面，加工中極易產生變形。
圖1 冷屏零件模型
1、主要加工要素和技術要求
零件的主要結構及尺寸如圖2所示。精度要求較高的要素為0.15+0.15/-0.05mm、0.25+0/-0.05mm、φ12.7+0.05/0mm、φ6+0.10/+0.02mm、R9+0/-0.09mm、φ20+0.10/+0.05mm和
圖2 零件主要尺寸
2、主要技術難點
①零件為超薄壁殼體結構，最薄壁厚僅0.15mm左右，剛性差，最後精加工時切削力稍大，零件就會彎曲變形甚至折斷。加工時易顫振和振刀，影響加工精度和表面質量。
②零件剛性極差，受力後易變形，因此加工過程如何有效控制內應力變形、裝夾變形、切削力變形和切削熱變形是保證零件精度的關鍵。
③零件上深的內環槽排屑困難，零件內孔最小處僅為φ6+0.10/+0.02mm，兩個φ12.8mm的內腔較深，距離加工端面最遠13.2mm，刀具懸伸較長，加工時容易產生振刀。內腔較深，同時材料韌性好，產生的帶狀切屑斷屑效能不好，纏成一團排屑困難，精加工內槽輪廓時，正常刀具或者普通磨製刀具使用常規方法無法加工。
④φ6+0.10/+0.02mm的通孔與φ12.7mm、深0.3mm孔位於切斷面，在首道工序中無法完成，必須分工序加工，而此時零件已基本加工成形，壁厚僅有0.15mm，剛性差，不僅無合適裝夾面，而且易裝夾變形，因此，合適的裝夾設計十分關鍵。
⑤材料難切削。材料為鎳基合金，強度高、韌性好，這種金屬切削加工時，刀具磨損快，切削振動大，不易切削。
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二、工藝設計
零件結構複雜，加工餘量大，且零件精度高，正常加工時通常選擇粗加工、時效去應力再精加工的流程。但該零件壁薄不易裝夾，綜合考慮後採用工序儘量集中、減少工序數量、優化刀具幾何角度及切削引數以減小零件變形的原則來設計工藝流程。
加工工藝路線為：0下料→5數車→10數車→15線切割→20檢驗→25噴砂→30發黑。
5工序數車一道工序中儘可能加工多的結構要素，除切斷面上φ12.7mm、深0.3mm孔臺階及大端面上兩處凸臺外，其餘全部在本工序保證，加工完後從毛坯棒上切下。10工序調頭平切斷面，加工該面上的φ12.7mm、深0.3mm孔臺階，並且由於刀具懸伸過長，故而安排在本工序鏜φ6+0.10+0.02mm孔。15工序線切割加工大端面上兩處凸臺。最後噴砂和表面發黑處理。
1、分工步加工深槽薄壁
為減小零件變形、滿足精度要求，首道工序需細分工步來完成粗、精加工。內環槽處厚度僅0.15mm，該處增加一次半精加工。
粗加工去除餘量時，因內孔結構更為複雜，刀具懸伸過長，故而先加工開口處的喇叭型部分，通過鑽中心孔、鑽孔和鏜孔來去除餘量，再去除外部餘量加工零件外形。普通加工方式無法完成兩個完整90°深槽的切削加工，因此，按照工步細分，先分層去餘量，每層比上層多切削一部分，儘量多地去除下部餘量。為了不發生擠屑使零件擠壓變形，在每層切削過後，都要暫停清屑。再按照內環槽輪廓半精加工一次，保證精加工餘量一致。
在精加工時，首先精加工端面外圓，保證長度尺寸，再選擇加工相對容易保證的內孔內錐面、外形尺寸。最後，由於內部兩個槽深度與寬度已經超過正常切槽刀的加工範圍，而且零件壁極薄，如果刀具不夠鋒利，極其容易產生擠壓變形，在90°轉角位置也無法將餘量去除乾淨。故而使用兩柄不同的自磨刀具，從兩頭分別去除餘量精加工，保證深槽清根。具體加工方法與刀具選用如表1所示。
加工過程中切削液要澆注充分，避免切削熱引起零件變形。
表1 冷屏加工首道工序工步過程
2、選擇合適的刀具
零件大部分結構要素都可以通過車削完成，又由於其材料強度高、韌性好等難切削特性，以及其結構的複雜程度，除鑽孔外都選用合金刀具。特別是零件為超薄壁結構，剛性極差，需要選擇合適的刀具幾何角度，儘量減小零件的切削力並控制切削力的方向。總原則是修磨刀刃增大前角與后角，增加刀具的鋒利度。為了保證在切削過程中不發生因擠屑造成的變形，使用啄式切削法，並及時暫停清屑。避免切削擠傷零件和刀具，精加工時將切削刃磨斜，減少刀刃與零件的接觸面積，內槽選用兩把刀各加工左、右兩面。具體刀具選擇如表2所示，專用磨製刀具如圖3所示。
表2 冷屏加工首道工序刀具選擇
圖3 專用刀具
3、選擇合適的切削引數
零件剛性極差，受力後易變形，如何減小加工過程中切削力引起的變形，刀具與切削引數的選擇尤為重要。經過多次試加工，最終確定了切削引數。粗加工外形引數：轉速S＝700r/min，進給速度vf＝35mm/min；精加工外形引數：轉速S＝800r/min，進給速度vf＝64mm/min；粗加工錐面引數：轉速S＝700r/min，進給速度vf＝9mm/min；精加工錐面引數：轉速S＝700r/min，進給速度vf＝42mm/min；粗加工內環槽引數：轉速S＝1000r/min，進給速度vf＝10mm/min；半精加工內槽引數：轉速S＝800r/min，進給速度vf＝40mm/min；精加工內槽引數：轉速S＝700r/min，進給速度vf＝35mm/min。
三、工裝設計
1、數控車工裝
由於在首道工序切斷後，仍有φ6+0.10/+0.02mm的通孔與φ12.7mm、深0.3mm孔結構要素未滿足要求，還需調頭加工，而零件為典型薄壁結構，內部存在深槽，不能使用常規的堵頭、襯套等夾具進行裝夾加工防止變形。因此，通過設計專用工裝來滿足要求。
通過改變夾緊力方向來防止裝夾變形，與零件φ8.6mm內孔配合，螺母壓緊端面加工，保證總長與φ12.7mm孔尺寸。通過螺母壓緊端面改變夾緊力方向，避免薄壁部分裝夾變形。具體裝夾如圖4所示。
圖4 10工序工裝及裝夾示意
2、線切割工裝
為保證薄壁儘量不受切削力的影響發生變形，經過數控車工序，其餘尺寸要素選用線切割保證。15工序線切割主要加工內容是將R9mm圓外部分切除。由於零件材料為蒙乃爾棒，不具有磁性，不能通過吸附定位，同時經過數控車的加工，零件已成薄壁結構，不能使用虎鉗等普通裝夾方式進行裝夾定位。因此，通過設計專用工裝滿足要求。
通過改變夾緊力方向來防止裝夾變形，與零件內錐面配合，使用內錐面對零件進行定位，避免薄壁部分裝夾變形。具體工藝內容與裝夾如圖5所示。
（a）
（b）