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一种薄壁零件的制造工艺技术 |
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作者：张冲 殷东平 |
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高精度、薄壁腔体类零件在军事电子行业的应用越来越广泛，该类零件一般由铝板整体加工而成，材料去除率最达90%以上。同时，该类零件的一个显著生产特点是品种多、批量小，甚至是单件生产。这种结构特点和生产模式决定了其制造技术一直处于不稳定状态，加工制造一直存在加工周期长、加工成本高、加工精度不易控制等难点。高精度、薄壁腔体类零件金属切除量大、工件壁薄、刚性低，加工中需要解决的主要问题是控制和减小变形，在此基础上，希望尽可能提高切削效率、缩短加工周期。其加工工艺需要从工件装夹、工序安排、走刀路线、切削用量参数、刀具选用等多方面进行优化。
1 工艺性分析
某产品平板裂缝天线辐射腔体如图1所示。截面尺寸295mmx396mm，厚9mm，腔深8mm，腔体底部、腔体中间纵向和横向隔栅厚度均为1mm，所有圆角均为R0.5mm。内腔形状和位置尺寸精度10.03mm，由铝板整体加工而成。
该辐射腔体为典型的高精度、薄壁、腔体类零件，具有薄壁、高精度、低刚性特点。加工中需要解决的主要问题是控制和减小变形。影响和造成工件加工变形的主要因素是毛坯内的残余应力、切削力和切削热产生的应力以及工件装夹产生的应力和变形等。由于薄壁零件本身的刚性较差，加工后残余的各种应力更易于使工件产生变形，同时"机床-工件"系统刚性较差易于产生颤振，影响工件表面质量。此外由于辐射腔底板密布耦合缝，不能采用常用的真空吸附装夹方式，装夹方式的选择十分重要和关键。
在传统工艺中，为了减小和消除各种应力对工件变形的影响，保证加工精度，增加了多道热处理工序消除加工应力，这使得加工周期较长、加工成本较高。采取何种工艺措施和手段，控制和减小工件变形，以缩短加工周期、降低加工成本、保证加工质量，成为优化传统加工工艺的重点和关键。
2 制造工艺技术
2.1 工艺流程设计
图1 薄壁腔体零件及局部放大图
针对图1所示辐射腔体制造工艺性，我们设计了优化的加工工艺流程如图2所示。与传统工艺流程相比如图3所示。优化后的工艺流程去除了粗加工、半精加工和一道热处理工序，避免了多次的装夹、程序设计和工装设计，可大大地缩短加工周期，提高加工效率，降低加工成本。采用图2所示优化工艺流程，加工周期可平均缩短50%以上。
在图2和图3所示工艺中，铣削工序为加工毛坯六个面，为数控加工提供初始的工艺基准，热处理工序以去除毛坯内的残余应力和加工应力为主要目的。
针对图2优化加工工艺流程，普通铣工序中，采用真空吸附装夹方式，加工毛坯六个面，在四周预留6mm余量，作为工艺压边。并对上下两个大面的平面度提出了较高的要求(平面度0.08mm)，为下道工序提供工艺基准。热处理工序去除毛坯内残余应力，消除毛坯应力对工件变形的影响。在高速铣削工序中，首先采用真空吸盘装夹方式，精加工上表面，在四角处侧边分别光出长 100mm的工艺基准边，加工出所有藕合缝。翻转后四周搭压板并配合磁力吸附装夹，找正工艺基准，在有效尺寸范围内精光上表面，达厚度尺寸后，加工所有辐射腔体，小切削量加工四周预留工艺余量。钳工去除所有毛刺。
2.2 高速铣削加工技术
高速切削加工技术代表着切削加工技术最高水平，在国内外已经得到了较广泛的应用，高速切削加工中的"高速"是一个相对概念，在不同切削条件下，切削速度并不相同，但线切削速度是一个基本条件。目前最常沿用的一种观点是高速切削加工是指线速度在500m/min-7000m/min的切削加工。高速切削加工有三个显著的优点:高效率、高精度和高表面质量、低切削温度和低切削力。
2.2.1 高效率
高速切削加工的特点是小切深、高进给，目前常用的高速切削加工主轴转速一般在 巧000r/min35000r/min，切削进给速度一般在4000mm/min-12000mm/min，在通常情况下，高速切削加工的效率是普通数控加工的3倍 -6倍，高速切削加工的高效性在三维空间曲面的精加工中表现的优为显著。
2.2.2 高精度和高表面质量
高速切削加工技术对高速切削加工机床系统的要求较高，高速切削加工机床本身就是高档机床，其加工精度相对普通加工中心要高。切削过程中，影响工件表面质量的主要因素有切削时产生的积屑瘤、磷刺、振动以及切削刃的刃磨质量、工件材料组织的缺陷、切削液使用情况等。高速切削与普通切削相比，切削速度快、材料变形速度块、应变率大，不易产生积屑瘤和磷刺。同时，由于切削速度较快，切削表面来不及产生塑性变形，切削加工已经完成。高速切削加工对刀具系统的动平衡要求较高，切削时振动性相对普通切削加工要好。因此，高速切削加工精度和表面质量非常好。
2.2.3 低切削力和切削温度
高速切削与普通切削加工相比，切削力，尤其是径向切削力可降低30%以上。由于切削速度高，切削热来不及传到工件，大部分被切屑带走，一般认为大约有90%以上切削热被切屑带走。因此，高速切削加工过程中产生的应力可控制在很小的水平，这为高精度薄壁零件的高效加工提供了可能和技术支撑。
在本文所涉及的辐射腔体加工中，采用高速铣削加工技术，可以控制加工中由于切削引起的加工变形，省去粗加工、半精加工和热处理工序，实现辐射腔体一次加工成型。大大的缩短工件加工周期。同时，较好地保证了工件的尺寸精度和表面质量。
2.3 防变形装夹技术
防变形装夹技术也是实现薄壁零件高效加工的关键，实现防变形装夹的关键是装夹时确保零件基准面与工作台面或夹具基准面自然、致密贴合，零件基准面多点均匀受力紧固。这种装夹对零件基准面平面度提出了更高的要求。
前面提到由于辐射腔底部密布祸合缝，在加工辐射腔体时无法采用真空吸附的装夹方式。选择何种装夹方式，有效地减少装夹变形，同时避免零件在加工时颤振，保证工件的加工精度和表面质量，是加工辐射腔体的关键。
高速铣削工序中加工辐射腔体时，我们采用了四周预留工艺装夹余量，搭压板装夹6处，如图4左所示。由于零件截面尺寸较大，仅靠四周搭压板无法保证加工时中心区域的可靠装夹，如果不采取特殊的工艺措施和手段，中心区域在加工是时会颤振，影响工件尺寸精度和表面质量。针对该零件的特点，我们采取了从中心向两侧逐渐扩散、对称加工的刀具轨迹。每次加工2个辐射腔，精加工到位后在腔底部加磁力块，如图4右所示。通过磁力吸附进行装夹加强，使得加工后刚性较弱的中心区域紧贴工作台面，避免工件中心区域翘曲变形和振动影响工件加工尺寸精度和表面质量。
通过采取上述的工艺措施和工艺手段，如高速铣削时的工序安排、走刀路线、切削参数优化、装夹方式等，加工出的零件可以满足设计要求。实践证明，图2所示的工艺流程，可以大大地缩短上述薄壁零件的加工周期，降低加工成本。
3 结论
对于高精度薄壁、腔体类零件，实现高效、高精度加工的关键有两点:一是采用高速切削加工技术，高速切削加工具有低切削力、低切削温度、高效率的特点，是实现免时效一次加工成型工艺流程，缩短加工周期的关键;二是选用合适的防变形装夹技术，减少或避免由于装夹变形产生的尺寸精度误差和表面质量损失。我们目前所用的高精度、薄壁腔体类零件，品种多、批量小，且零件结构不断变化，但基本形成了图2所示的高速切削加工优化工艺流程。同时，根据零件的具体结构，采取不同的工艺措施及手段，如工序安排、走刀路线、切削参数优化、装夹方式等，基本上可以满足现有同类零件的设计制造需求。(end)
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(5/31/2008) |
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