談艙體零件機械加工工藝設計要點

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摘要：艙體零件屬于彈體主要結構件之一，有機械強度和重量控制要求，其薄壁回轉特征和鋁合金材料的不穩定性對機械加工造成了一定難度，主要體現在艙體零件的機械加工變形導致檢驗數據采集困難和檢驗結果容易超差兩方面。從工藝設計角度出發，應針對艙體零件常見的變形、尺寸精度和幾何公差難保證等質量問題制定合理、可行、正確的工藝方案。基于此類零件多年來的工藝設計經驗，對艙體類零件的結構、工藝性分析、工藝基準選擇、工藝方案設置以及工裝設計等方面進行了闡述，有利于提升該類零件的機械加工工藝設計水平和產品加工質量。通過生產過程中的工藝攻關、質量改善等活動提煉出來的工藝設計要點簡明扼要，具備適應性、實用性、安全性等特點。

關鍵詞：艙體零件；薄壁；易變形；工藝設計

艙體零件內一般放置儀器、電路板、氣瓶、舵機等零部件，艙外需要連接舵翼、彈翼、掛架等重要組件［1］，在滿足承重要求的同時其自身還有重量限制指標，因而此類零件多設計成鋁合金材質的筒狀薄壁結構存在一定的加工難度。依據工廠長期加工實踐，本文總結出該類零件的機械加工工藝設計要點，與同行分享。

1艙體零件結構概述

［2］艙體零件常見外形為薄壁筒狀，諸如控制艙、儀器艙類零件，軸向與徑向尺寸比值＞1。某型控制艙和儀器艙結構分別如圖1和圖2所示。其軸、徑尺寸比為1．6～2．2，外徑為170～200mm，壁厚為2mm，薄壁易變形，產品的重要徑向檢驗數據只能在機床上臨床測量，當取下工件后就難以測量了，而且檢驗結果存在一定的超差率，可制造性差。艙體零件的內腔裝控制部件，筒壁及腔內常有配合窗口和相應的螺紋孔、沉頭通孔；其外側裝彈翼和舵翼，與導彈發射架連接，一般需要加工出滑塊座及導向槽。

2艙體零件的工藝性分析

2．1材料

艙體零件多采用鋁合金材料加工，常用的牌號為2A12－T4、7A04－T6、ZL101A、ZL205A。毛坯種類可分為型材和鑄件，2A12－T4、7A04－T6多為管材和棒材，ZL101A、ZL205A則常用于鑄造件。鋁合金的加工穩定性差，在薄壁結構零件的加工中更容易產生變形。

2．2加工精度

［4］艙體零件的配合部位精度要求較高，為IT7～IT9；其次是控制壁厚的尺寸，其他尺寸多為自由公差。配合部位的表面粗糙度一般為Ra（1．6～3．2）μm，其余為Ra6．3μm。常見的幾何公差為同軸度、垂直度、對稱度和位置度等，要求值為0．02～0．08mm，由于此類零件的加工容易變形，對于尺寸精度的保證存在一定困難。

2．3薄壁結構的加工穩定性

依據鋁合金類艙體零件的加工經驗，當壁厚為2mm時，其徑向尺寸的變形量多為其外徑的千分之一，材料牌號不同，變形量略有差異，依照這個經驗值估算，已經超出了配合部位的徑向尺寸公差。按理論尺寸加工的內徑一旦從機床上拆下后測量，就出現局部點超出公差上下限的情況。這是工件變形所引起的，對加工、測量和使用都帶來麻煩。針對艙體零件薄壁結構的加工穩定性差，需要在工藝上對產品的質量控制有相應的具體措施。

3艙體零件的工藝基準

3．1粗基準的選擇

粗基準的選擇應能保證加工面與非加工面之間的位置要求及合理分配各加工面的余量，同時要為后續工序提供精基準。針對艙體零件的鑄造毛坯，如下原則可供參考。1）為保證加工面與非加工面之間的位置要求，應選非加工面為粗基準。2）合理分配各加工面的余量。3）粗基準應避免重復使用，在同一尺寸方向上，通常只允許使用一次。4）作為粗基準的表面應平整光潔，應避開鍛造飛邊和鑄造澆冒口、分型面、毛刺等缺陷，以保證定位準確，夾緊可靠。

3．2精基準的選擇

精基準的選擇應能保證工件定位準確，夾緊可靠，操作方便，可按如下原則選取。1）基準重合原則，采用設計基準作為定位基準。艙體零件常見的設計基準為內孔、外圓、端面，確定工藝基準時應首先考慮將內孔和端面作為定位基準。2）基準統一原則，工件在加工過程中應盡可能地采用統一的定位基準，如車工序和加工中心工序應盡量以同一個基準加工出相應的部位。3）互為基準原則，為使加工面間有較高的位置精度，可采取反復加工、互為基準的原則：艙體零件留余量的外圓作為基準可加工出內孔，再以內孔為基準精加工出外圓，此時外圓又可以作為加工中心的找正基準。

4艙體零件的工藝方案

4．1主要工序環節

在艙體零件的加工中采用最多的工序環節是車和加工中心，車工序完成艙體零件圓形回轉部位的內外形加工，加工中心工序完成艙體零件內外型面上的滑塊、窗口、螺釘孔、通孔等部位的加工。這兩道主要工序環節可以實現艙體零件的大部分加工內容，同時這兩道工序也是工藝方案設置的重點。車工序劃分為粗車和精車，粗車常安排在普通車床上，精車則利用數控車床完成。銑工序劃分為粗銑和精銑，在生產條件允許的情況下，均可以使用加工中心完成。加工中心包括臥式加工中心、立式加工中心和五軸加工中心等。臥式加工中心主要用于加工艙體端面、內腔等部位的凸臺、凹槽、不規則孔、螺紋孔、通孔；立式加工中心主要用于加工艙體零件外形面上的滑塊、窗口、螺釘孔、通孔；五軸加工中心兼具有臥式、立式加工中心的加工功能，而且還能加工帶任意空間角度的平面、凸臺、凹槽和孔系。

4．2輔助工序環節

本文重點闡述作為控制艙體加工變形的一個重要的輔助工序環節，鉗工序的校形對變性太大的艙體很有必要。一般來說，只要艙體零件的設計剛性尚可，在控制好上述兩道主要工序環節的情況下是不需要安排鉗工校形的，但遇到了設計剛性太差又必須加工的艙體零件，鉗工序的校形作用就能突顯出來。鉗工序校形可借助虎鉗、壓力機、校形工裝來實現［7］，外徑為170mm的艙體可以直接在虎鉗上校形，大于這個尺寸的可以采取壓力機校形。校形工裝與艙體外徑配合，工裝的配合內徑是艙體外徑的1．1～1．382倍，這個倍數再劃分2～3次，將逐次接近于工件外形的校形工裝分開使用，可以將變形太大的艙體內孔校正到公差范圍內，避免出現內孔多邊形。鉗工序校形一定要在工藝上明確校形的正確方法，避免施力過大或頻繁校形使艙體出現裂縫，那樣就得不償失了。

4．3人工時效環節

人工時效在控制鋁合金艙體零件變形方面很有效果，通過烘箱的加熱保溫及自然冷卻可以消除加工過程中產生的應力，從而降低變形程度。可以根據零件結構和加工余量，設置1道或多道人工時效，一般放在精加工之前進行。

4．4工藝方案的設置

［8－9］本文提出的艙體零件的基本工藝路線如下：下料→粗車→粗銑→人工時效→精車內形→精銑內形→人工時效→精車外形→精銑外形→鉗→表面處理。艙體零件的車工序應控制好加工余量，按艙體壁厚2mm為例，精車內形余量單邊按0．5mm，外圓余量單邊按2mm比較適宜，外圓余量較大主要是為精加工內形提供必要的零件剛性。艙體上的滑塊、窗口、孔系應集中安排在精銑內形和精銑外形兩道工序。劃分時應注意精車外形對精銑內形所形成部位的幾何公差的影響程度。

5工裝

［10］艙體零件主要使用的工裝有3種：漲胎、堵頭和抱胎，車工序和加工中心工序所用的漲胎和堵頭可以通用，臥式加工中心的抱胎需要臨床加工，對于不適用漲胎的小孔徑艙體可以采取兩頭配車堵頭的方法定位加工外形。漲胎（見圖3）是固定在三爪自定心卡盤上，徑向受力撐工件內孔以定位加工的一種常用工裝，適用于車削、銑削、鉆削等工種的裝夾定位。漲胎常用的材料是鋁合金，另外也可以采用45鋼、鑄鐵等材料。對于批量生產的產品以及有特殊裝夾需要的產品，所用漲胎需要進行熱處理，以增加胎具的剛度和耐磨性。漲胎的內孔、外圓一次裝夾車成，理論上可獲得較高的定位精度，實際上三爪存在的定位誤差會加大產品公差的波動范圍。為了避免這種情況，也可以在漲胎與三爪接觸的內孔處做標記，能與三爪對應，然后用三爪撐內孔，加工外圓定位面，最后再將其鋸開使用。抱胎是固定在三爪自定心卡盤上，徑向受力夾工件外圓以定位加工的一種常用工裝，適用于車削、銑削、鉆削等工種的裝夾定位。根據加工需要，可以將抱胎分成A型、B型和C型（見圖4）。A型抱胎多用于反爪，B型抱胎多用于正爪，結構比較簡單，可根據零件形狀選取，能滿足大部分的產品的精度要求；C型抱胎下端面固定在床面上，上端部分使用徑向受力的方式，采取M10螺釘螺母緊固工件，適用于臥式加工中心、普通銑床加工長筒類零件，一般是2件同時使用。抱胎常用的材料是鋁合金，另外也可以采用45鋼、鑄鐵等材料。對于批量生產的產品以及有特殊裝夾需要的產品，所用抱胎需要進行熱處理，以增加胎具的剛度和耐磨性。堵頭是機械加工常用的輔助工裝，屬于心軸的另一種形式，常用于車、銑工序，其尾部帶有頂尖孔，配合尾頂傳遞軸向力，頂緊工件。本文可分為如下2種情況。1）車削工序，一般依靠堵頭和工件的摩擦力實現工件夾緊即可直接加工。2）銑削工序，為防止工件因摩擦力不夠導致的轉動，可借助于工件上的孔來限制旋轉位移，方法是：工件兩端堵頭尾頂，先在靠近主軸堵頭的工件外圓上鉆1～2個產品圖中本有孔，孔深透進堵頭，然后插入定位銷即可。回轉類心軸的示意、使用圖例如圖5所示。堵頭常用鋁合金材料即可滿足要求，另外在大批量零件生產過程中也可采用45鋼或合金結構鋼等材料加工，同時進行熱處理（調質），以增加其剛度和耐磨性。

6結語

上述內容介紹了艙體零件的機械加工工藝設計要點，化繁為簡，實用為上，在實際生產中可根據企業自身的加工條件進行詳細的工藝設計，這對于同類結構、同種材料的零件加工來說，具備一定的參考價值。機械加工工藝人員立足于該類零件的具體特征和技術要求進行取舍，或許能在同行之間拋磚引玉，產生新的技術交流契機。

參考文獻

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［10］關月華．機械制造工藝與夾具課程設計指導［M］．北京：國防工業出版社，2015．

作者：劉強 李博 孫韶渝 單位：西安現代控制技術研究所