大直径薄壁深腔类框环零件加工工艺

2020-04-24天津航天长征火箭制造有限公司天津300462张朋朋梁津鹤樊艳权

金属加工(冷加工) 2020年3期

■ 天津航天长征火箭制造有限公司（天津 300462）张朋朋梁津鹤姚辉樊艳权

1. 产品结构及加工难点分析

某薄壁深腔框环类零件为新一代运载火箭芯级核心承力结构件，飞行过程中需承受多重载荷的考验，其结构强度直接影响整个飞行任务的成败。该产品毛坯采用2219-T852铝合金整体锻环，外形规格为φ5 050×φ4 360×250mm，毛坯质量约3 400kg。产品型腔截面为梯形“工”字结构（见图1a），型腔最大深度95mm，型腔网格间立筋宽度10mm，成品质量仅480kg，机加工过程中材料去除率高达86%。

由于产品材料去除量大，异形截面型腔切削受力不均衡，机加工过程中切削应力累积与释放造成侧壁变形较大，导致产品切削效率低、尺寸精度稳定性差，制约型号研制进度。

加工难点分析如下：

1）薄壁深腔。网格型腔最大深度为95m m，网格圆角R15mm，型腔特征要求网格精铣时铣刀最大直径为30mm，最小长度为135mm（含40mm夹具高度），长径比大于4∶1，属于典型深腔加工。

2）产品变形大。网格型腔铣削过程中，网格间立筋（见图1b）受单侧切削力影响，易发生塑性变形，另一侧铣削时导致立筋宽度变薄。

3）切削效率低。产品机加工过程中去除材料约2 900kg，其中70%以上材料去除由铣削完成，整个产品制造周期约2 000h，滞后于型号研制节点要求。

图1 产品结构示意

2. 工艺方案

该产品机械加工过程中主要涉及车削和铣削两种加工方式，材料去除量大且材料切削主要由铣削完成，若仅安排一次铣削工序，长周期加工必然导致变形增大，增加壁厚超差风险。因此，根据产品特点和现有能力，工艺人员安排进行两次铣削。为消除加工内应力、减小铣削变形，在铣削之前分别进行时效去应力，加强制造精度控制。此外，为消除时效引起的变形，在时效前后安排多次车削工序，并为铣削提供找正基准。

3. 车削

该产品毛坯直径约5 050mm，结合车间现有工艺装备，选择普通数控双柱立式车床进行车削。该机床工作台直径6 000mm，最大车削直径6 300mm，满足产品加工需求。

由于产品壁厚较薄，型腔截面不规则，为减少残余应力对于精度稳定性的影响，产品粗车时需尽可能多地进行材料去除工作。结合前期同类φ5 000mm框环零件变形情况，设定粗车后产品单边余量8～10mm，便于后续时效过程应力释放造成的变形量去除。

产品半精车前需测量内外圆柱面圆度和端面平面度，对产品振动时效效果及残余应力释放情况进行评价。根据评价结果，设定半精车后产品余量一般为3～5mm，如图2所示。在保证精车产品成形的前提下，尽可能将材料去除量前移，减小切削应力释放造成的产品变形。

图2 产品车削余量示意

4. 铣削

该产品型腔截面为梯形结构，若采取传统单层平面铣削方式，必然造成顶部斜面部分大量空行程，不利于生产效率的提高。因此，工艺人员将其分为上下两部分，单独进行铣削。

（1）斜面部分的铣削为提高铣削稳定性，减少刀具振颤造成的侧面粗糙，采用φ44R2铣刀进行粗铣。该铣刀为镶刀片式盘铣刀，中间芯部不具备切削能力，必须从零件外部进入。按照刀具使用规范，工艺人员采取螺旋进刀方式，设定起始安全高度为1mm，单层切削深度5mm，然而进刀螺旋时间占网格铣削时间的40%，严重影响网格切削效率。

为解决这一问题，工艺人员将分层界面进行调整，将原斜面部分切削深度由40mm调整至30mm，进而将中心位置螺旋进刀改为斜面外部指定点进刀（见图3），既避免了程序进刀时直接切削，又缩短了进刀路径长度。斜面部分剩余的10mm高度采用与底面型腔部分相同的加工方式，连续切削。

图3 斜面粗加工刀具路径示意

（2）型腔部分的铣削网格型腔部分采用传统“型腔铣”方式，由网格中心处进刀，沿外形轮廓逐层向外切削，直至型腔底面。然而，精铣时工艺人员发现型腔侧壁拐角处存在明显振纹，不符合工艺文件要求，如图4a所示。

图4 拐角处切削过程示意

分析认为，网格型腔高速切削时，在拐角处铣刀运动速度及方向发生改变，由于机床惯性影响造成刀具振颤，稳定性降低，影响切削表面质量，且该位置存在轻微过切现象。此外，拐角处切削时铣刀约1/4区域同时进行作业，铣刀与工件接触方式由线接触改为面接触，导致瞬时切削阻力骤增，进一步增大该处表面粗糙度值，切削过程如图4b所示。因此，根据网格特点，定制φ28R5非标铣刀，网格拐角处R1mm圆滑过渡，平衡切削阻力，提高表面切削质量。

网格型腔由螺旋进刀改为指定点直接进刀方式，有效避免了机床小范围内频繁“抖动”问题，提高切削参数，进一步提升切削效率，单网格铣削时间由195.3min缩短至157.5min，效率提升19.3%，效果详见表1。

5. 时效去应力

该产品加工过程中受切削力影响，导致大量残余应力累积，若不进行时效去应力，产品精加工时应力释放，导致侧壁变形加剧，极易造成超差。由于该产品外径规格大，型腔截面规则，若采取传统热时效去应力工艺，不仅产品运输困难、设备造价高以及能源消耗大，而且热时效周期长，导致产品变形较大，不利于后续加工的开展。振动时效技术属于新型高效去应力工艺，具有自动化程度高、工艺简便、设备轻便以及不受产品规格限制等优点，特别适用于大型薄壁锻铸件去应力时效。

振动时效（Vibratory Stress Relief，简称VSR）又称振动消除应力，源于通过锤击消除金属零件残余应力的工程实践，旨在通过控制激振器的激振频率对零件施以交变循环载荷，使其发生共振或亚共振，产生适当的交变运动并吸收外部能量，以致内部组织发生微观粘弹塑性力学变化，从而使零件内残余应力得到降低或均化，提高尺寸精度稳定性。