大型壳体密封槽数控加工技术研究

张 亮，陈宏亮，古海轮

(首都航天机械有限公司，北京 100076)

0 引言

大型壳体是弹箭体的典型结构件，是首都航天机械公司的核心产品。大型壳体特征集成度高，通常含有网格、凸台、下陷、窗口、密封槽、孔、螺纹等特征。密封槽为大型壳体的典型特征，一般位于壳体端面以及壳体与口盖配合部位，对整个产品起着密封的作用。密封槽尺寸精度高，表面粗糙度要求严，加工后密封槽内部不允许存在接刀台阶、不允许有划痕。故本文首先围绕大型壳体密封槽进行数控加工工艺设计，然后针对端面密封槽刀具装夹精度低，槽底加工精度低及存在砂眼、气泡等铸造缺陷提出改进方法；最后，针对柱面密封槽进刀、退刀处过切及切削深度不一致现象提出优化柱面密封槽加工方法。

1 密封槽数控加工工艺设计

1.1 端面密封槽数控加工工艺方案

由上述可知，端面密封槽槽深公差为0.05 mm，槽宽公差为0.2 mm，现有立式车床X轴定位精度为0.014 mm，Z轴定位精度为0.012 mm，满足端面密封槽尺寸精度要求，故优先选用数控双柱立式车床加工大型壳体端面密封槽。加工端面密封槽一般选用切槽刀，其宽度为4 mm、主偏角为90°、前角为8°、后角为10°、刀尖圆弧半径为0.5 mm。槽宽测量器具选用量程为150 mm的游标卡尺，精度为0.02 mm；槽深测量器具选用量程为150 mm的深度卡尺，精度为0.02 mm。

图1 端面密封槽截面 图2 柱面密封槽截面

端面密封槽一般采用车削方法进行加工，加工流程共4步：粗车、精车一侧面、精车另一面和检验，如图3所示。密封槽粗车余量一般为两侧面1 mm、底面0.5 mm。精车一侧面与底面后测量是否满足尺寸精度，若符合，则继续车另一侧面，反之，重新精车该侧面。精车结束后检查密封槽宽度是否符合尺寸。

1.2 柱面密封槽数控加工工艺方案

柱面密封槽采用铣削加工方式，选用设备为桥式五轴数控铣床，其数控系统为SIEMENS840D，工作台尺寸(长×宽)为4 000 mm×3 500 mm，X轴行程为4 300 mm，Y轴行程为4 150 mm，Z轴行程为1 700 mm，A轴摆角范围为±110°，C轴旋转范围为±n×360°(n=1，2，3，…)。柱面密封槽通常采用单刀法加工，即应用成型铣刀一侧铣削加工而成，故通常采用直径为6.08 mm的立铣刀。由于密封槽缠绕于大型壳体表面，除上下极限位置外，其余位置用深度尺和游标卡尺测量不准确，在总结多年工作经验的基础上，对槽宽测量设计了通规和止规，以方便测量；对槽深测量设计了深度表规，精度为0.01 mm。这样不但提高了检测精度，还提高了检验效率。

图3 端面密封槽车削流程

成型刀铣削柱面密封槽具体加工工艺流程为：试切、粗加工、精加工。即刀具切削深度为0.2 mm左右，检查密封槽加工位置是否正确，槽宽是否在公差范围内。若加工位置正确，即密封槽内侧距零件边缘距离相等，选取大吃刀量、小进给量粗加工密封槽，且在底面留0.5 mm余量。在精加工阶段，为提高柱面密封槽表面粗糙度，切削参数选用小吃刀量、大进给量进行加工。

2 端面密封槽数控加工方案优化

端面密封槽采用车削方式加工,但在实际加工过程中存在刀具装夹困难、对刀误差大、槽底面精度差等问题,此外由于壳体在铸造过程中存在夹渣、气泡等缺陷，造成在其成品后端面出现凹坑、麻点等问题。这样一方面会造成加工质量不稳定，给交付带来一定的困难；另一方面缺陷位置分布在密封槽边缘处，可能会扎伤密封圈，从而对壳体的密封性能造成一定的影响。

2.1 密封槽刀具装夹方式优化

端面密封槽一般采用立式切槽刀(如图4所示)加工。 切槽刀立式装夹并固定于车刀刀架上,这种刀具装夹方式全部靠手工凭借经验完成,且刀柄装夹面与车刀刀架平面之间会存在角度误差,若切槽刀后角过小,则会导致刀具后刀面与已加工表面发生干涉,造成端面密封槽底面精度下降。此外，还存在装夹困难，需两个工人一起操作完成。但是如果将刀柄置于圆形工作台上进行装夹则可避免上述情况，故本文设计了卧式切槽刀(如图5所示)，该刀具虽然存在刚度差、承受切削力小缺点，但是鉴于密封槽去除余量小，工件对刀具的作用力也较小，所以可以满足端面密封槽数控加工需求。

图4 立式切槽刀 图5 卧式切槽刀

2.2 密封槽刀具切削轨迹优化

为减少大型壳体密封槽由于应力集中而产生裂纹的可能性，通常在密封槽底部设计具有一定大小的圆角，本端面密封槽底部圆角为R2。切槽刀一般圆角为R0.5，这样会造成在加工密封槽圆角处刀具轨迹为圆弧，表面精度差。此外，在精加工阶段，切槽刀副切削刃参与切削，造成密封槽底部精度差。为提高密封槽底部粗糙度，需设计密封槽专用车刀，保证刀具刀尖圆角半径等于密封槽底部圆角半径，且保证在加工过程中副切削刃不参与切削加工。

2.3 密封槽二次返修加工

对于端面密封槽，若密封槽内侧铸造缺陷深度较小，一般通过测量已加工尺寸确定去除余量，以保证壳体最小极限尺寸为原则进行车削加工，但是由于密封槽公差小于壳体高度方向公差，端面缺陷去除后常常会导致密封槽深度超差，所以还需对密封槽进行二次加工。

端面密封槽二次返修加工具体步骤如下：①测量自由状态下壳体平面度和圆度；②装夹零件，通过调整压板减小壳体形位公差；③测量壳体高度和密封槽深度以确定车削余量；④车端面，保证壳体高度不小于最小极限尺寸，同时保证端框也不小于最小极限尺寸；⑤根据圆度确定密封槽切削宽度，根据壳体高度计算密封槽车削深度；⑥车密封槽，保证密封槽尺寸；⑦将密封槽中未车削部分由钳工挫修；⑧清洗。

通过二次车削，不但保证了壳体的外观质量，还保证了壳体的相关尺寸，但是此方法只适用于铸造缺陷深度较浅的壳体，如果铸造缺陷深度较大，只能采用其他方法解决。

3 柱面密封槽数控加工方案优化

柱面密封槽缠绕在壳体表面，由于壳体在机械加工过程中发生变形，给柱面密封槽加工带来了极大的困难，本文针对壳体在加工过程中发生的过切、欠切现象和深度不一致现象提出相应的解决措施。

3.1 柱面密封槽加工切削轨迹优化

由于机床动态跟随性能差，尤其是大修后的设备性能不稳定，采用成型刀加工密封槽时会在密封槽加工进刀、退刀区域发生过切现象，从而影响柱面密封性能，缩短壳体交付周期。本文提出三刀法解决上述问题，即采用跟随周边的方式从密封槽中间进刀，切削一周后先后移至密封槽两侧面进行加工，然后返回进刀点，垂直于密封槽底面进行退刀。实践证明，离开密封槽侧面进刀、退刀可避免密封槽的过切问题发生。

3.2 柱面密封槽分区域分段加工

大型壳体直径为2 000 mm，高度为600 mm～800 mm，柱面密封槽槽深公差为0.05 mm，槽宽公差为0.05 mm，壳体的微小变形将会导致密封槽尺寸发生超差。采用铣刀一次加工后必然会造成密封槽深度发生不一致现象，导致密封槽深度局部发生超差。本文仍采用试加工、粗加工和精加工方法加工密封槽，由于壳体变形量在0.5 mm以内，在粗加工阶段留1 mm余量，应用深度表规测量密封槽深度。如果密封槽深度在公差值范围内，则可以采用成型刀直接加工；否则则划分为若干程序段，对每一个程序段单独生成新的加工轨迹，确保密封槽深度合格。

4 结束语

密封槽槽深、槽宽公差小，表面加工精度高，本文规范了端面密封槽和柱面密封槽数控工艺加工方法。对于端面密封槽，改进了刀具装夹方法，减小了装夹误差，优化了加工轨迹，并制定了密封槽二次返修步骤，提高了表面加工精度；对于柱面密封槽，采用三次切削替换一次成型，防止了过切现象发生，采用分区域分段加工方法保证了密封槽槽深尺寸。

参考文献：

[1] 王晓波，魏勇.浅析摆线铣高速加工在壳体密封槽加工中的应用[J].制造技术与机床，2014(11)：92-94.

[2] 张红娅，杨建新.转向器壳体密封槽加工工艺改进研究[J].机械研究与应用，2014，27 (5)：99-104.

[3] 刘志刚，赵晓燕.基于成组技术的伺服阀壳体数控加工工艺研究[J].煤矿机械，2015，36(10)：155-157.