一种大型薄壁舱体段的加工方法与流程

1.本发明属于大型回转体机械加工技术领域，具体涉及一种大型薄壁舱体段的加工方法。


背景技术：

2.大型薄壁回转体类零件的直径大，其内径可超过1500mm，壁厚薄，最薄处可低至5mm，其刚性较差。航天领域的某舱体段采用了大型薄壁回转体结构类零件，其轴向尺寸不超过250mm，非常小，并且端面上有一处贯穿壁厚的缺口，该缺口破坏了舱体段壳体的整体性，在机械加工时舱体段壳体极容易变形，降低了舱体段零件的外圆圆度。


技术实现要素：

3.为解决上述舱体段零件的外圆圆度低的技术问题，本发明提供一种大型薄壁舱体段的加工方法。
4.本发明的技术方案为：提供了一种大型薄壁舱体段的加工方法，用于加工端面具有贯穿侧壁的缺口且轴向尺寸≤250mm的大型薄壁舱体段，所述加工方法包括：
5.粗加工步骤：对待加工环坯粗加工端面、内圆和外圆，再依次粗加工减轻槽、时效处理和粗加工缺口；
6.半精加工步骤：对粗加工后的壳体半精加工端面、内圆和外圆，再半精加工减轻槽和缺口；
7.精加工步骤：对半精加工后的壳体精加工端面、内圆和外圆，再精加工减轻槽和缺口；
8.其中，半精加工步骤和/或精加工步骤的端面、内圆和外圆的加工具体包括：
9.步骤1：对壳体沿周向多点固定，去除端面、内圆和外圆当前步骤设计加工量的n分之一，n的取值为3～5；
10.步骤2：确定步骤1加工后的壳体的外圆圆度，在外圆圆度大于外圆的待加工总余量时，解除对壳体的多点固定并静置；在外圆圆度不超过外圆的待加工总余量时执行步骤1；
11.步骤3：重复步骤1至步骤2，直至完成端面、内圆和外圆的加工。
12.在一些实施例中，所述半精加工步骤中端面、内圆和外圆的设计加工量均为2～4mm，所述精加工步骤中端面、内圆和外圆的设计加工量均为0.5～1.5mm。
13.在一些实施例中，所述静置时间为1～2h。
14.在一些实施例中，所述n的取值为3～4。
15.在一些实施例中，在所述粗加工步骤中：粗加工端面、内圆和外圆后单边剩余切削量均为2～4mm。
16.在一些实施例中，所述大型薄壁舱体段的内壁和外壁均设有多个间隔均匀分布的减轻槽，所述粗加工减轻槽后的单边剩余切削量为1～3mm。
17.在一些实施例中，所述粗加工缺口的过程中，对壳体周向多点均匀固定，并在壳体的缺口对应固定位置增加1～2处固定点；所述粗加工缺口后单边剩余切削量为4～6mm。
18.在一些实施例中，所述半精加工端面、内圆以及外圆后，内圆和外圆的单边剩余切削量均为0.5～1.5mm。
19.在一些实施例中，所述精加工减轻槽和缺口，具体包括：
20.向缺口中塞入堵块，所述堵块与所述缺口过盈量为0.03～0.07mm，再精加工减轻槽；
21.取下所述堵块，向精加工减轻槽结束的壳体上精加工缺口。
22.在一些实施例中，所述大型薄壁舱体段的壁厚≥5mm；所述大型薄壁舱体段的内径≥
23.1500mm。
24.本发明的有益效果至少包括：
25.本发明所提供的一种大型薄壁舱体段的加工方法，用于加工端面具有贯穿侧壁的缺口且轴向尺寸≤250mm的大型薄壁舱体段，该加工方法包括：粗加工步骤：对待加工环坯粗加工端面、内圆和外圆，再依次粗加工减轻槽、时效处理和粗加工缺口；半精加工步骤：对粗加工后的壳体半精加工端面、内圆和外圆，再半精加工减轻槽和缺口；精加工步骤：对半精加工后的壳体精加工端面、内圆和外圆，再精加工减轻槽和缺口；其中，半精加工步骤和/或精加工步骤的端面、内圆和外圆的加工具体包括：步骤1：对壳体沿周向多点固定，去除端面、内圆和外圆当前步骤设计加工量的n分之一，n的取值为3～5；步骤2：确定步骤1加工后的壳体的外圆圆度，在外圆圆度大于外圆的待加工总余量时，解除对壳体的多点固定并静置；在外圆圆度不超过外圆的待加工总余量时执行步骤1；步骤3：重复步骤1至步骤2，直至完成端面、内圆和外圆的加工。本发明采用粗加工、半精加工和精加工三个阶段加工，可以达到逐步释放机械加工中产生的残余应力的目的，端面的贯通缺口破坏了大型薄壁舱体段零件结构的整体性，在半精加工和/或精加工端面、内圆以及外圆过程中，间隙性的解除对壳体的固定，让壳体静置以释放应力，从而保证环形的壳体的圆度。采用本发明提供的加工方法，大型薄壁舱体段的的外圆圆度不超过0.4mm，两个端面的平面度不超过0.2mm，两个端面的平行度不超过0.4mm，形位公差低，整体外形好。
附图说明
26.图1示出了实施例一的大型薄壁舱体段的结构示意图；
27.图2示出了本技术实施例的一种大型薄壁舱体段的加工方法的工艺步骤图。
28.附图标记说明：
29.10-大型薄壁舱体段；11-内圆；12-外圆；13-减轻槽；14-缺口；15-法兰边；16-端面。
具体实施方式
30.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
31.为了解决现有技术中，大型薄壁舱体段壳体在机械加工中容易变形，降低舱体段
零件的外圆圆度的问题，本发明实施例提供了一种大型薄壁舱体段的加工方法，请结合图1，该加工方法用于加工端面16上具有非对称开放性贯穿侧壁的缺口，且轴向尺寸不超过250mm的大型薄壁舱体段10，该大型薄壁舱体段10为回转体结构，大型薄壁舱体段10的内壁和外壁上均设置有减轻槽13。
32.请结合图2，本技术实施例提供的大型薄壁舱体段10的加工方法包括：
33.s1、粗加工步骤：对待加工环坯粗加工端面16、内圆11和外圆12，再依次粗加工减轻槽13、时效处理和粗加工缺口14。
34.待加工环坯可以为锻造环坯，对锻造环坯粗加工出端面16、内圆11和外圆12中，其中的粗加工可采用车削加工，具体地，将锻造环坯协调找正端面16对称4点，平一端面16见光，保证该端面16平面度为0.2mm，车削外圆12至余量3mm；以已加工的端面16为基准平另一端面16，保证两个端面16的平行度在0.4mm内；然后车削内圆11至余量3mm；切槽转速不大于10r/min，平两个端面16以及车削内圆11和外圆12中，车床转速不大于30r/min，单边吃刀深度不大于2mm。
35.在一些实施例中，端面16、内圆11和外圆12粗加工结束后单边剩余切削量均为2～4mm。
36.粗加工减轻槽13可采用铣削加工，内壁的减轻槽13和外壁的减轻槽13均采用对称铣削，具体地，可先加工内壁的减轻槽13，再加工外壁的减轻槽13；在加工内壁的减轻槽13时对称铣削，在加工外壁的减轻槽13时亦对称铣削；在其他实施例中，可先加工外壁的减轻槽13，再加工内壁的减轻槽13，在加工外壁的减轻槽13时采用对称铣削的顺序，在加工内壁的减轻槽13时亦采用对称铣削的顺序。
37.在一些实施例中，粗加工减轻槽13结束后的单边剩余切削量为1～3mm。
38.时效处理可以释放端面16、内圆11和外圆12的粗加工以及减轻槽13粗加工中产生的应力，时效处理可选用人工时效，亦可采用其他时效方式消除步骤1和步骤2加工中产生应力，本技术不作限制。人工时效后可对壳体自身三维扫描，并将扫描结构与人工时效前的状态对比，从而检测出壳体热处理人工时效的变形量。
39.在缺口14粗加工中，可采用6～8点均匀分布的安装压板紧固壳体，以保证装夹可靠性，防止壳体移动，减少装夹变形；同时在壳体缺口14对应的位置增加1～2处辅助压板压紧固定壳体，然后再粗加工。
40.在一些实施例中，缺口14粗加工结束后单边剩余切削量为4～6mm。
41.s2、半精加工步骤：对粗加工后的壳体半精加工端面16、内圆11和外圆12，再半精加工减轻槽13和缺口14；
42.半精加工端面16、内圆11和外圆12可采用车削加工，车削加工端面16、内圆11和外圆12具体包括如下步骤：
43.步骤s21：对壳体沿周向多点例如6～8点固定，然后去除端面16、内圆11和外圆12半精加工步骤设计加工量的n分之一，n的取值为3～5。由于大型薄壁舱体段10轴向尺寸非常小，而内径又非常大，因此，该类型的舱体段非常容易在应力下变形翘曲，沿壳体轴向多点固定可以避免局部应力产生变形而出现加工位置出现偏差；
44.在一些实施例中，半精加工步骤中端面16、内圆11和外圆12的设计加工量均为2～4mm，优选为2～3mm，更优选为2mm。
45.步骤s22：确定步骤s21加工后的壳体的外圆圆度，在外圆圆度大于外圆12的待加工总余量时，解除对壳体的多点固定并静置；在外圆圆度不超过外圆12的待加工余量时执行步骤s21；
46.步骤s23：重复步骤s21至步骤s22，直至完成端面16、内圆11和外圆12的半精加工。
47.待加工总余量是此时壳体外圆12的时实际直径与外圆12的设计直径之间的单边差值，例如在半精加工前外圆12的剩余切削量为3mm，半精加工步骤的设计加工量为2mm，在对外圆12加工设计加工量的三分之一也就是0.67mm时，外圆12的剩余切削量为2.33mm，测量壳体的外圆圆度，此时壳体的外圆圆度为3mm，外圆圆度大于外圆12的剩余切削量，此时解除对壳体的所有固定，静置一段时间释放应力，在一些实施例中，静置时间为1～2h，例如静置1.5h；然后重新进行多点固定，再去除端面16、内圆11和外圆12半精加工步骤设计加工量的n分之一，重复上述的步骤，直至完成2mm的切削加工量；若外圆圆度小于外圆12的剩余总切削量，则继续切削，直至完成2mm的切削加工量。
48.在一些实施例中，半精加工端面16、内圆11以及外圆12后，内圆11和外圆12的单边剩余切削量均为0.5～1.5mm。
49.s3、精加工步骤：对半精加工后的壳体精加工端面16、内圆11和外圆12，再精加工减轻槽13和缺口14；
50.其中，端面16、内圆11和外圆12的精加工步骤包括：
51.步骤s31：对壳体沿周向多点固定，去除端面16、内圆11和外圆12当前步骤设计加工量的n分之一，n的取值为3～5；
52.由于大型薄壁舱体段10轴向尺寸非常小，而内径又非常大，因此，该类型的舱体段非常容易在应力下变形翘曲，沿壳体轴向多点固定可以避免局部应力产生变形而出现加工位置出现偏差；在一些实施例中，精加工步骤的设计加工量为0.5～1.5mm，优选为1mm。
53.在一些实施例中，n的取值为3～4，优选的，n的取值为3。
54.在一些实施例中，精加工步骤中端面16、内圆11和外圆12的设计加工量均为0.5～1.5mm。
55.步骤s32：确定步骤s31加工后的壳体的外圆圆度，在外圆圆度大于外圆12的待加工总余量时，解除对壳体的多点固定并静置；在外圆圆度不超过外圆12的待加工余量时执行步骤s31；
56.步骤s33：重复步骤s31至步骤s32，直至完成端面16、内圆11和外圆12的加工。
57.待加工总余量是此时壳体外圆12的时实际直径与外圆12的设计直径之间的单边差值，也是精加工步骤的切削量。
58.在一些实施例中，精加工减轻槽13和缺口14具体包括：
59.向缺口14中塞入堵块，所述堵块与所述缺口14过盈量为0.03～0.07mm，再精加工减轻槽13，可以限制加工减轻槽13时应力释放导致缺口14变形，还可避免由于壳体变形导致的缺口14位置变化。然后再取下所述堵块，向精加工减轻槽13结束的壳体上精加工缺口14。堵块的形状略大于缺口14，以实现缺口14与堵块的过盈配合。
60.步骤s4、精加工各安装孔。
61.下面以加工某一航天飞行器的圆柱形舱体段为例，对本发明的大型薄壁舱体段的加工方法的具体内容进行详细介绍，其中，该圆柱形舱体段材料为2a70铝合金，最大外径尺
寸为φ2200mm，最小内径尺寸φ2090mm，壁厚尺寸为5～7mm，轴向尺寸为173mm，该舱体段的一端设有12mm厚的法兰边15，该舱体段的另一端设有一处贯穿壁厚的缺口14，该缺口14的底壁与母线的夹角为95
°
，舱体段的内壁和外壁均开设有24个减轻槽13，24个减轻槽13沿舱体段的周向均匀布置，内减轻槽13和外减轻槽13错开布置，内减轻槽13位置处的壁厚尺寸为5mm，外减轻槽13位置处的壁厚尺寸为7mm；缺口14位于两个相邻的减轻槽13之间，缺口14处的壁厚为5mm。
62.实施例一
63.实施例一提供了圆柱形舱体段的加工方法，该加工方法包括如下步骤：
64.步骤1，车削粗加工壳体零件的端面16、内圆11以及外圆12，具体为：协调找正端面16的对称4点，平一端面16见光，保证平面度0.2mm，车外圆12至余量为3mm，以已加工端面16为基准平另一端面16，保证两端面的平形度在0.4mm以内，车内圆至余量为3mm。切槽转速不大于10r/min，平端面16及车内圆和外圆12转速不大于30r/min，单边吃刀深度不大于2mm。加工后端面16、内圆11以及外圆12的单边剩余切削量均为3mm；
65.步骤2，采用铣削加工方式对称铣削壳体内壁的减轻槽13，然后对称铣削壳体外壁的减轻槽13，加工后减轻槽13的单边剩余切削量为2mm。
66.步骤3，人工时效去除壳体大部分应力。
67.步骤4，采用6-8点均匀分布的固定方式安装压板用于紧固壳体，在缺口14位置附近增加1-2处辅助压板用于压紧固定，然后粗铣端面16的贯穿型缺口14，加工后缺口14的单边剩余切削量为5mm。
68.步骤5，沿壳体的周向均匀布置6个装夹压板对壳体进行固定，半精车零件的两个端面16、内圆11及外圆12，在去除端面16、内圆11及外圆12的0.67mm后，测量壳体的外圆圆度为2.8mm，该外圆圆度大于剩余总加工量2.34mm，此时松开所有的装夹压板，静置2h；然后再将6个装夹压板对壳体固定，找正壳体对称四点在0.5mm以内，平端面16、内圆11及外圆12，保证两端面的平面度0.2mm，两端面16平行度0.4mm，切槽转速不大于10r/min，平端面16及车内外圆12转速不大于30r/min，单边吃刀深度不大于1mm，走刀量不大于0.15mm/r，继续切削零件的两端面16、内孔及外圆12，在去除端面16、内圆11及外圆12的0.67mm后，测量壳体的外圆圆度为1.3mm，该外圆圆度小于剩余总加工量1.67mm，继续切削零件的两端面16、内圆11及外圆12，直至两端面16、内圆11及外圆12的单边剩余切削量1mm。再半精加工减轻槽13和缺口14。
69.步骤6，用堵块塞紧缺口14部位，精加工内壁的减轻槽13、外壁的减轻槽13及法兰边15至设计尺寸，再拆除堵块，精加工缺口14至设计尺寸。
70.步骤7，精车壳体端面16、内圆11及外圆12至设计尺寸。
71.沿壳体的周向均匀布置8个装夹压板对壳体进行固定，半精车零件的两端面16、内孔及外圆12，在去除端面16、内圆11及外圆12的0.33mm后，测量壳体的外圆圆度为0.8mm，该外圆圆度大于剩余总加工量0.67mm，此时松开所有的装夹压板，静置1.5h；然后再将8个装夹压板对壳体重新固定，继续切削零件的两端面16、内圆11及外圆12，在去除端面16、内圆11及外圆12的0.33mm厚度后，测量壳体的外圆圆度为0.31mm，该外圆圆度小于剩余总加工量0.34mm，继续切削零件的两端面16、内圆11及外圆12，直至两端面16、内圆11及外圆12至设计尺寸。
72.步骤8，精加工壳体各安装孔至设计尺寸。
73.采用本实施例提供的加工方法，圆柱形的舱体段的外圆圆度为0.31mm，两个端面16的平面度为0.18mm，两个端面的平行度为0.34mm。
74.实施例二
75.实施例二采用与实施例一相同的加工方法，实施例二与实施例一的区别是步骤7中未中途静置，直接将壳体的端面16、内圆11及外圆12至设计尺寸。
76.采用本实施例提供的加工方法，圆柱形舱体段的外圆圆度为0.38mm，两个端面16的平面度为0.2mm，两个端面16的平行度为0.4mm。
77.实施例三
78.实施例三采用与实施例一相同的加工方法，实施例二与实施例一的区别是步骤5中未中途静置，直接将壳体的端面16、内圆11及外圆12加工至单边剩余切削量1mm。
79.采用本实施例提供的加工方法，圆柱形的舱体段的外圆圆度为0.4mm，两个端面16的平面度为0.2mm，两个端面16的平行度为0.4mm。
80.本发明提供的大型薄壁舱体段的加工方法至少具有如下优点：
81.(1)加工方法分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，可以达到逐步释放机械加工中产生的残余应力的目的。
82.(2)端面16的贯通缺口14破坏了大型薄壁舱体段10零件结构的整体性，在半精加工和/或精加工端面16、内圆11以及外圆12过程中，间隙性的解除对壳体的固定，让壳体静置以释放应力，从而保证环形的壳体的圆度。
83.(3)缺口14的粗加工在时效处理后进行，可以极大降低粗加工产生的内应力对零件变形的影响。
84.(4)在粗加工缺口14时，为减少因应力释放导致的零件变形，在缺口14位置附近增加辅助压板用于压紧固定。
85.(5)采用本发明提供的加工方法，舱体段的外圆圆度不超过0.4mm，两个端面的平面度不超过0.2mm，两个端面的平行度不超过0.4mm，形位公差低，整体外形好。
86.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
87.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。