一种大直径锥形零件的补偿铣削加工方法

供稿|王德廷，郭东亮，王元军，李泊，李金龙 /

内容导读

航天制造技术中锥形零件较球形零件和椭球形零件在空间节省方面更具优势，同时力学性能更好，受力更加均匀，因而大直径锥形零件的应用越来越广泛。随着弱刚度薄壁件产品尺寸越来越大，加工精度要求越来越高，本文针对一种大直径弱刚度锥形零件装夹困难、铣削基准找正困难等问题，通过设计装夹工装，制定合理的补偿铣削加工工艺方案，寻找最优铣削参数，实现了锥形零件的可靠装夹，保证了零件的高精度要求。

随着航天制造技术的发展，航天产品结构日趋复杂，产品尺寸越来越大，加工精度要求也越来越高。由于锥形零件较球形零件和椭球形零件在空间节省方面更具优势，同时其力学性能更好，受力更加均匀，大直径锥形零件的应用越来越广泛。某大直径锥形零件属于典型的弱刚度薄壁件，同时产品铣削尺寸精度要求较高，在产品加工过程中，存在装夹困难、铣削基准找正困难等问题。本文通过研究大直径弱刚度锥形零件的补偿铣削工艺，设计装夹方案，寻找最优铣削参数，解决了该工件的加工难题。

加工现状

产品结构分析

某锥形零件大端直径尺寸为4800 mm，小端直径尺寸为2200 mm，高度约1300 mm，整体壁厚仅有10 mm，如图1所示，属于典型的弱刚度薄壁产品。为满足搅拌摩擦焊较高的尺寸精度要求，在焊接前，需进行大端与小端的余量铣切工作，同时保证实际铣切边界与焊接理论铣切边界误差不大于0.1 mm，加工精度要求极高。

产品加工难点

装夹困难

零件尺寸较大，属于典型弱刚度零件，如无适宜装夹方案，加工过程中极易产生加工变形，无法保证铣削精度。

铣削基准找正困难

产品焊接要求尺寸精度极高，加工后实际铣切边界与理论铣切边界误差不大于0.1 mm。加工前，产品大端与小端已刻有理论铣切线，实际加工时，很难保证如此高的找正精度。

图1 大直径弱刚度锥形零件结构示意图

合理的铣断加工策略

为得到较高的铣削效率，减小加工过程中的震颤，需设计合理的铣断加工策略。

加工方案

装夹方案

针对大尺寸锥形零件弱刚性的结构特点，设计适应锥形零件加工的装夹工艺。

回转中心的确定

为便于回转中心的确定，铣削夹具设计一圆形底座，铣削时的回转中心即为基座圆心位置，其余压紧装置及撑环均基于基座回转中心设计。

撑紧结构

为保证工装整体结构刚度，工装设计有横纵交错的加强撑杆。同时，在工装大端、小端设计有局部撑环，大端撑环、小端撑环的型面与零件内型面一致，已达到铣切区域局部接触支撑的目的。在撑环对应理论铣断区域设计有铣切槽，以保证刀具在铣断零件时的工装安全。

压紧机构

为实现产品的可靠定位，保证产品在加工过程中不发生移位，需设计合理的压紧机构。

在工装小端设计有均匀分布的6处压紧装置。压紧装置利用螺钉连接的形式固定于小端撑环上，同时利用螺杆连接的形式沿锥度母线方向手动向下施加压力，结合锥形零件接触面自锁特性，实现产品的可靠装夹。为避免螺钉突出带来的干涉问题，所有连接孔均设计为沉头孔的形式。为便于工装起吊，设计有4处工装起吊环。图2为锥底零件工装示意图。

图2 锥底零件工装示意图

产品铣断加工策略

为保证产品铣断对装夹可靠性的影响，优化工艺方案：产品吊装至铣切工装→调平→分段铣切大端余量→分段铣切小端余量→钳工连接处余量。

在产品切断时，当直接整周铣断时，易产生扎刀现象，造成刀具折断及产品铣伤，同时造成产品变形与装夹失效。优化铣切策略，采取6段均布铣断的方式，段与段间留10 mm连接余量，防止产品全部铣断时装夹失效的风险。最后，采用钳工将连接处余量锯断、打磨的方式保证产品精度，如图3所示。

图3 分段铣切示意图

产品铣断时，分粗、精加工。粗加工时，采用φ10铣刀分层扎削的方式满吃刀去除余量，此时铣削工况较差，振动明显，留余量2 mm。产品自然时效24 h，充分释放产品内部应力，精加工时，在余量较小的情况下，利用铣刀侧刃去除余量，一刀到位，保证加工精度。

补偿加工策略

加工后实际铣切边界与理论铣切边界误差不大于0.1 mm，产品装夹调平时，很难保证如此高的找正精度。采用数据补偿的策略弥补调平误差。

产品调平精度控制在1 mm左右即可，精加工前，采用游标卡尺均布测量40个点的实际余量值，当相邻两点间余量变化范围介于0.3～0.5 mm时，两点间增加1个测量点，当相邻两点间余量变化范围介于0.5～1 mm时，两点间增加2个测量点，最终获得铣切边界分段后各段的余量分布情况，如图4所示。加工边界的实际位置曲线与加工边界的理论位置曲线对比，将余量误差补偿至铣加工程序，得到自适应加工路径[1]。采用补偿方案加工后的断面与理论铣切边界误差仅为0.05 mm，满足产品后续焊接需求。

切削参数优化

锥形零件产品粗加工时，刀具选择为小直径φ10立铣刀，粗铣过程中，刀具的切削状态为全吃刀，切削状态不稳定，刀具磨损严重，同时由于锥形产品自身重力的影响，切断后，刀具承受沿母线方向的推力，极易造成刀具折断并铣伤产品，如图5所示。需通过在产品余量区进行切削实验寻找最优切削参数，改善刀具切削状态。

图4 铣削位置余量测量数据采集图

图5 刀具折断示意图

在薄壁件加工时，影响切削力、振动的因素主要是转速n、切宽ap、切深ae和进给量f，且切削参数对产品加工质量的影响因素的显著性依次为：切宽＞切深＞进给量[2]。综合考虑产品加工效率及产品表面质量，锥形零件粗加工正交实验的目标为获得小切深和适当每齿进给量fz的最优切削参数[3]，见表1。

兼顾加工效率，当切深选择为3 mm时，可以获得较高的表面加工质量，最优切削参数为n=1500 r/min，ap=3 mm，f=500 mm/min，fz=0.08 mm。采用最优切削参数进行锥形零件粗加工，未发生刀具折断现象，同时产品表面质量较好。

加工效果

本文通过研究大直径弱刚度锥形零件的补偿铣削工艺，设计装夹方案，寻找最优铣削参数等，实现了大直径弱刚度锥形零件的精密加工，加工后的断面与理论铣切边界误差仅为0.05 mm，满足了不大于0.1 mm的高精度要求。

表1 正交实验汇总表

结束语

本文通过改进加工流程，设计可靠的装夹方式，同时采用补偿加工的方案，解决了大直径弱刚度锥形零件难装夹、不易找正的难题。采用局部仿形支撑的装夹方案既实现了产品可靠装夹，同时又降低了工装制造成本。通过补偿加工方案进一步提高了产品加工精度及加工效率。大直径弱刚度锥形零件的补偿铣削加工方案易于实现，实施效果明显，为同类型产品加工提供了加工经验。