一种大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法与流程

本发明属于薄壁零件机械加工技术领域，尤其是涉及一种大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法。

背景技术：

γ槽框环是运载火箭贮箱的重要组成零件，由于零件尺寸大、壁厚小、非均匀截面结构，属于大型弱刚性薄壁件。γ槽框环壁厚精度要求为0-0.3mm，直径精度要求为Φ4992±0.1mm，径厚比达1248:2，γ型槽深144mm，采用铝合金锻环整体机械加工而成，现有3.35m框环，采用型材拉弯后拼焊成整圆的制造工艺；由于采用型材拉弯的成型工艺，产品型面、壁厚等线性尺寸及行为公差精度较低，对后续装配工作带来了较大的难度；由于采用焊接拼接工艺，因此产品整体性能受到限制，同时焊接带来了产品缺陷风险；而传统的小直径环类零件的加工多为采用通用压板螺栓进行紧固装夹，压紧位置少，零件支撑不足，在加工过程中易发生震颤，导致零件表面产生振纹，无法保证零件壁厚0.3mm的精度要求；5m直径γ槽框环的整体加工在中国航天制造领域尚属首次，与现役运载火箭3.35m框环采用型材拉弯后拼焊成整圆的工艺方法相比，整体加工提高了产品的结构强度，降低了产品缺陷风险；由于结构壁厚薄、槽深、精度高，加工中存在较大的技术难度，存在易变形、刚性差、易振动等加工难题，且无同类型、规格整体零件的加工案例。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法，通过本发明可实现大直径铝合金非均匀截面框环的精确装夹及精确加工，解决加工中存在难装夹、易变形、刚性差、易振动等加工难题，弥补了大直径铝合金非均匀截面的框环结构零件精加工的空白。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法，主要加工步骤为：

S1、将大直径铝合金非均匀截面框环件自上而下压紧在装夹装置上，框环件与装夹装置的胎具为柱面配合；其中，所述装夹装置主要由基座和八块内型胎具组成，在底座外圆及胎具顶部各留有若干组安装孔用于安装压紧的压板及螺栓；

S2、在胎具顶部压紧由内侧悬伸出若干个长压板压紧框环件，加工框环件外圆；

S3、拆下长压板，在胎具顶部压紧若干个上压板；在外圆底部设置若干小压板，限制框环件的径向移动；检测装夹装置与框环件配合间隙及形位公差；

S4、采用层切方法加工框环件上的γ槽，工艺方法主要步骤为：粗加工，半精加工，精加工；完成框环件的精确加工。

进一步的，装夹装置采用内撑式结构,主要由基座和八块内型胎具组成，通过在基座上增加定位下陷结构设计，使得八块内型胎能够在径向上精确定位，内型胎通过螺纹连接到基座上，完成装夹定位，在底座外圆及胎具顶部各留有若干组安装孔用于安装压紧的压板及螺栓，优选一百二十组安装孔，提高框环件的稳定性；

进一步的，柱面配合的摩擦力较大，在不影响内型胎具型面径向限位的前提下，在内型胎具型面直线段位置设计三条环槽，以减少配合时的接触面积从而减小阻力，解决了框环件在装配内型胎具和卸下内型胎具过程中装配阻力大的问题；

进一步的，针对加工中可能出现框环件内形面尺寸不满足配合要求的情 况，通过在八块内型胎具底面上设计相互平行的长圆槽，使得工装在直径方向上存在调整余量，当零件的内型尺寸发生变化时，通过长圆槽结构可以确保将胎具向外移动，对工装外形面留出相应的加工余量，然后对工装型面进行适应性修整，使新工装满足当前框环件的装夹需求；

进一步的，加工框环外圆时，在胎具顶部压紧三十二个长压板；加工γ槽时，胎具顶部压紧在底座外圆压紧六十个小压板，内形顶部压紧六十个上压板；

进一步的，所述粗加工，采用阶梯型层切方法；由于粗加工材料去除量大，γ槽深144mm，为了提高刀具的结构强度和耐用度，增加刀具结构刀体厚度及宽度，提升了刀具的整体刚性，为满足粗加工大切削的要求，刀具刃宽为15mm，相比常用10mm刃宽，可有效提升加工效率；

进一步的，所述半精加工，采用仿形层切方法，由于γ槽的深度较大，设计刀具在拐角位置以15°斜度平缓过渡，使得刀体整体刚性增强，避免刀具截面突变对整体刚性削弱过多；设计刀具20°后角，避免加工中与框环件干涉；

进一步的，所述精加工，在加工时为保证γ槽的加工精度，单次车削距离长，在一次精加工中刀具磨损较快；机夹刀具具有刀片重复装配精度高，尺寸一致性好等优点，适合做为最终的精加工刀具；标准机夹刀具多针对卧式车床设计，刀体相对刚性弱，不适合大型立式车床使用；为保护刀具，提高刀具整体刚性及耐用度，设计机夹刀具刀套；刀套能够有效包裹刀体后端装夹位置，以减小刀具细杆悬伸长度；刀套对刀体装夹部位能够起到保护作用，防止刀体在反复使用过程中因受压损坏，从而延长刀具使用寿命；具体的，仿形层切法的刀具包括半精加工刀具基体和刀套本体，所述半精加工刀具基体呈长条方柱结构，在半精加工刀具基体的一端设有截面尺寸变化的、且与半精加工刀具基体呈夹角的弯折部，所述弯折部包括第一拐角部、第二 拐角部和平直部，所述第一拐角部根据零件γ槽形状刀体对槽曲面区域进行避让，所述第二拐角部能避免刀具截面突然变小，强度削弱过多，故设置第二拐角部与平直部所夹锐角小于第一拐角部与平直部所夹锐角，优选的第一拐角部与平直部所夹锐角为30°，第二拐角部33与平直部所夹锐角为15°，在弯折部末端设有用于切削的刀头，所述刀头采用焊接的方式固定在弯折部末端；具体的，所述半精加工刀具基体的固定端固设有长条方柱状的刀杆所述刀杆嵌入在刀套本体内，所述刀套本体设有长条形刀杆槽用于嵌插刀杆，所述刀套本体上还设开有刀杆固定孔，采用螺栓件旋入刀杆固定孔内并顶紧刀杆在刀杆槽内；所述刀套本体呈阶梯状过渡，不仅方便刀套本体的制作加工，还能方便刀杆的固定调节；同时也解决了材料用量；所述刀套本体要是利用刀套可根据切削情况，通过调节刀杆在刀杆槽内的位置，调节刀具最终的悬伸长度，由于加工产品为薄壁零件，易与刀具产生共振，同时不同壁厚规格产品的固有频率不同，当切削过程中振动剧烈时，通过调节悬伸量避开刀具与零件的共振区域，减轻切削震颤；刀杆是为了将仿形车刀加长，最终只需通过调节刀杆在刀套中的位置即可实现刀具的悬伸长度；

进一步的，精加工刀路为精加工时为保证γ槽的加工精度，避免加工停顿造成的接刀等缺陷,采用单个程序一次走刀加工到位；由于γ槽为底部封闭深腔结构，加工中切屑堆积在槽底无法排除，精加工前立面留较少的加工余量，弧面留较多的加工余量，为方便加工，以立面作为对刀基准，立面加工中刀路由上到下，由于加工余量较小，立面高度较小，切屑堆积较少，不会对加工造成影响；弧面刀路由下到上，产生的切屑在重力影响下掉落至槽底，由于刀具不断往上移动，切屑堆积不会对加工造成影响；

进一步的，粗加工进给速在2.5～6.5mm/min之间，切宽在5～15mm之间；

进一步的，粗加工进给速为4.5，切宽为15mm；

进一步的，所述大直径铝合金非均匀截面框环件的装夹采用柔性支撑并采取电动或液压支撑的方式直接撑紧；

相对于现有技术，本发明所述的大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法具有以下优势：

本发明提出的基于刚性强化的大直径框环装夹方法，解决了γ槽的精确加工难得问题，特别的使大直径整体框环的壁厚精度能够保持在较小范围内，尤其是5m直径框环的0.2mm壁厚的γ槽加工，在实际加工中解决了深槽精密加工难题，实现了大直径铝合金非均匀截面框环的精确加工；

本发明所述的精加工的刀路，保证γ槽的加工精度，避免加工停顿造成的接刀等缺陷,且切屑堆积不会对加工造成影响；

本发明所述的半精加工采用的仿形层切方法，其中刀具的整体刚性增强，避免刀具截面突变对整体刚性削弱过多，且避免加工中与零件干涉；

本发明所述的精加工中的刀套对刀体装夹部位能够起到保护作用，防止刀体在反复使用过程中因受压损坏，从而延长刀具使用寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的γ槽结构件截断面示意图；

图2为本发明实施例所述的装夹装置的内型胎整体示意图；

图3为本发明实施例所述的装夹装置的内型胎局部示意图；

图4为本发明实施例所述的加工γ槽时的显示外压板的装夹状态端面示意图；

图5为本发明实施例所述的加工γ槽时的显示小压板的装夹状态端面示意图；

图6为本发明实施例所述的加工γ槽时装夹状态示意图；

图7为本发明实施例所述的加工框环外圆时的装夹状态端面示意图；

图8为本发明实施例所述的加工框环外圆时的装夹状态；

图9为本发明实施例所述的阶梯型层切的γ槽横向和竖向示意图；

图10为本发明实施例所述的加工γ槽时的刀路；

图11为本发明实施例所述的粗加工刀具；

图12为本发明实施例所述的内胎型直面处示意图；

图13为本发明实施例所述的仿形层切刀具示意图；

图14为本发明实施例所述的仿形层切法示意图；

图15为本发明实施例所述的仿形层切刀套示意图。

附图标记说明：

10-γ槽；11-框环件；20-内型胎；21-环槽；31-半精加工刀具基体；32-第一拐角部；33-第二拐角部；34-平直部；35-刀头；40-刀杆槽；41-刀套本体；42-刀杆固定孔；43-刀杆；51-上压板；52-小压板；53-外压板；61-长压板；1-立面刀路；2-弧面刀路；A-γ槽竖向；B-γ槽横向；71-粗加工层切刀体；72-刀体固定块；711-圆弧缺口；712-刀片嵌槽；713-刀体第二过渡圆角；714-刀体第一过渡圆角。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种大直径铝合金非均匀截面框环精确加工方法，主要加工步骤为：

S1、将大直径铝合金非均匀截面框环件11自上而下压紧在装夹装置上，框环件11与装夹装置的胎具为柱面配合；其中，所述装夹装置主要由基座和八块内型胎20组成，在底座外圆及胎具顶部各留有若干组安装孔用于安装压紧的压板及螺栓；

S2、在胎具顶部压紧由内侧悬伸出若干个长压板61压紧零件，加工框环件11外圆；

S3、拆下长压板61，在胎具顶部压紧若干个上压板51和外压板53；在外圆底部设置若干小压板52，限制零件的径向移动；检测装夹装置与零件配合间隙及形位公差；

S4、采用层切方法加工零件上的γ槽10，其中图1为γ槽10的截面示 意图，零件工艺方法主要步骤为：粗加工，半精加工，精加工；完成框环件11的精确加工。

结合图2-8所示，其中，装夹装置采用内撑式结构,主要由基座和八块内型胎20组成，通过在基座上增加定位下陷设计，使得八块内型胎20能够在径向上精确定位，内型胎20通过螺纹连接到基座上，完成装夹定位，在底座外圆及胎具顶部各留有若干组安装孔用于安装压紧的压板及螺栓，优选一百二十组安装孔，提高零件的稳定性；

如图12所示，其中，柱面配合的摩擦力较大，在不影响胎具型面径向限位的前提下，在胎具型面直线段位置设计三条环槽21，以减少配合时的接触面积从而减小阻力，解决了零件在装胎和卸胎过程中装配阻力大的问题；

其中，针对加工中可能出现零件内形面尺寸不满足配合要求的情况，通过在八块内型胎20底面上设计相互平行的长圆槽，图中未标示长圆槽；使得工装在直径方向上存在调整余量，当零件的内型尺寸发生变化时，通过长圆槽结构可以确保将胎具向外移动，对工装外形面留出相应的加工余量，然后对工装型面进行适应性修整，使新工装满足当前零件的装夹需求；

其中，加工框环件11外圆时，在胎具顶部压紧三十二个长压板61；加工γ槽10时，胎具顶部压紧在底座外圆压紧六十个小压板52，内形顶部压紧六十个上压板51；

其中，所述粗加工，采用阶梯型层切方法；由于粗加工材料去除量大，γ槽10深度144mm，如图1所示γ槽端截面形状，为了提高刀具的结构强度和耐用度，增加刀具结构刀体厚度及宽度，如图11所示，提升了刀具的整体刚性，为满足粗加工大切削的要求，刀具刃宽为15mm，相比常用10mm刃宽，可有效提升加工效率；图9中所示为γ槽竖向A和γ槽横向B的粗加工方向示意；

具体的，如图11所示，所述粗加工刀具包括粗加工层切刀体71，所述粗加工层切刀体71的截面具有弧度，且粗加工层切刀体71的刃宽优选为15mm，在粗加工层切刀体71上一端角处固接有长条状、截面为方形的刀体固定块72，且刀体固定块72外突出于粗加工层切刀体71，所述刀体固定块72方便刀架夹持粗加工层切刀体部位；所述粗加工层切刀体71上部还开有圆弧切口711，所述圆弧切口711能分散粗加工层切刀体71在切削零件时的切削应力，提高粗加工层切刀体71的结构强度；所述粗加工层切刀体71的另一个上端角处设有刀片嵌槽712，所述刀片嵌槽712用于向前刀片；所述刀体71的两个下端角分别为圆弧结构，圆滑刀体的棱边，在刀体固定块72同侧的下角为刀体第二过渡圆角713，另一个圆弧结构为刀体第一过渡圆角714；所述第二过渡圆角713为R＝10mm，所述第一过渡圆角714为R＝40mm；

如图13、14、15所示，其中，所述半精加工，采用仿形层切方法，由于γ槽的深度较大，设计刀具在拐角位置以15°斜度平缓过渡，使得刀体整体刚性增强，避免刀具截面突变对整体刚性削弱过多；设计刀具20°后角a，避免加工中与零件干涉；

其中，所述精加工，在加工时为保证γ槽的加工精度，单次车削距离长，在一次精加工中刀具磨损较快；机夹刀具具有刀片重复装配精度高，尺寸一致性好等优点，适合做为最终的精加工刀具；标准机夹刀具多针对卧式车床设计，刀体相对刚性弱，不适合大型立式车床使用；为保护刀具，提高刀具整体刚性及耐用度，设计机夹刀具刀套；刀套能够有效包裹刀体后端装夹位置，以减小刀具细杆悬伸长度；刀套对刀体装夹部位能够起到保护作用，防止刀体在反复使用过程中因受压损坏，从而延长刀具使用寿命。

具体的，如图13、14和图15仿形层切法的刀具包括半精加工刀具基体31和刀套本体41，所述半精加工刀具基体31呈长条方柱结构，在半精加工刀具基体31的一端设有截面尺寸变化的、且与半精加工刀具基体31呈夹角的弯折 部，所述弯折部包括第一拐角部32、第二拐角部33和平直部34，所述第一拐角部32根据零件γ槽形状刀体对槽曲面区域进行避让，所述第二拐角部33能避免刀具截面突然变小，强度削弱过多，故设置第二拐角部33与平直部34所夹锐角小于第一拐角部32与平直部34所夹锐角，优选的第一拐角部32与平直部34所夹锐角为30°，第二拐角部33与平直部34所夹锐角为15°，在弯折部末端设有用于切削的刀头35，所述刀头35采用焊接的方式固定在弯折部末端；其中，所述平直部34的末端切成一个倾斜端面，如图13上部的主视图所示的，其中平直部34末端倾斜形成后角度数优选a＝20°，能有效避免加工中与零件干涉；具体的，所述半精加工刀具基体31的固定端固设有长条方柱状的刀杆43，所述刀杆43嵌入在刀套本体41内，所述刀套本体41设有长条形刀杆槽40，用于嵌插刀杆43，所述刀套本体41上还开有刀杆固定孔42，采用螺栓件旋入刀杆固定孔42内并顶紧刀杆在刀杆槽40内；所述刀套本体41呈阶梯状过渡，不仅方便刀套本体41的制作加工，还能方便刀杆的固定调节；同时也解决了材料用量；所述刀套本体41主要是利用刀套可根据切削情况，通过调节刀杆在刀杆槽内的位置，调节刀具最终的悬伸长度，由于加工产品为薄壁零件，易与刀具产生共振，同时不同壁厚规格产品的固有频率不同，当切削过程中振动剧烈时，通过调节悬伸量避开刀具与零件的共振区域，减轻切削震颤；

如图10所示，其中，精加工刀路为精加工时为保证γ槽的加工精度，避免加工停顿造成的接刀等缺陷,采用单个程序一次走刀加工到位；由于γ槽为底部封闭深腔结构，加工中切屑堆积在槽底无法排除，精加工前立面留较少的加工余量，弧面留较多的加工余量，为方便加工，以立面作为对刀基准，立面加工中刀路由上到下，如图10中立面刀路1所示方向，由于加工余量较小，立面高度较小，切屑堆积较少，不会对加工造成影响；弧面刀路由下到上，如图10中弧面刀路2所示，产生的切屑在重力影响下掉落至槽 底，由于刀具不断往上移动，切屑堆积不会对加工造成影响；

如表2所示，其中，粗加工进给速在2.5～6.5mm/min之间，切宽在5～15mm之间；其中，粗加工进给速为4.5，切宽为15mm；

其中，所述大直径铝合金非均匀截面框环零件的装夹采用柔性支撑并采取电动或液压支撑的方式直接撑紧；

在工装使用过程中需对各处配合间隙及形位公差进行检测，主要控制参数指标见表1，确保较好的圆度以保证壁厚尺寸：

粗车槽加工参数见表2，从粗车槽加工试验参数可以看出，进给速度的增加对刀具切削产生了较大的影响，随着进给速度的提升震颤现象越发明显，仅在切宽减小的情况下有所好转。根据上述数据最终确定的加工参数为序号5数据：进给速(F)＝4.5mm/min，切宽(ap)＝15mm。在此参数下加工零件，加工更平稳，从而刀具损耗下，使用时间长，加工效率较高；

本发明提出的基于刚性强化的大直径框环装夹方法，特别的基于型面模拟的5mγ槽框环的模块化内撑紧精密装夹装置，解决了装夹困难、内型面贴胎均匀性差、圆度变形大等问题导致的切削不均难题，使零件在加工过程中圆度保证在0.2mm以内，实现了5m直径γ槽框环的可靠装夹；

本发明的加工方法解决了γ槽的精确加工难得问题，特别的使大直径整体框环的壁厚精度能够保持在较小范围内，在实际加工中解决了深槽精密加工难题，实现了大直径铝合金非均匀截面框环的精确加工；

本发明所述的精加工的刀路，保证γ槽的加工精度，避免加工停顿造成的接刀等缺陷,且切屑堆积不会对加工造成影响；

本发明所述的半精加工采用的仿形层切方法，其中刀具的整体刚性增强，避免刀具截面突变对整体刚性削弱过多，且避免加工中与零件干涉；

本发明所述的精加工中的刀套对刀体装夹部位能够起到保护作用，防止刀体在反复使用过程中因受压损坏，从而延长刀具使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。