一种5m级大型薄壁筒类零件加工工艺方案研究_王杨.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER一种5 m级大型薄壁筒类零件加工工艺方案研究王杨，朱松，樊艳权，张金玉，王元军，刘强，李俊文（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）0引言随着航天产品减轻工艺要求越来越高，航天产品轻量化加工愈发增多，产品的尺寸也越来越大，导致产品结构强度降低，在机械加工中出现产品变形和装夹困难。本文通过采用专用重型气动夹紧工装，通过气缸推动上下两端支撑块来支撑产品，增加产品强度。本文中的筒类零件内部储存燃料，内部有巨大的压力，产品内、外壁阳极化表面不允许划伤。本文通过对工装划伤风险点进行讨论分析，制定合理的方案，在专用筒段工装上自制防划伤装置，有效避免了筒类零件表面划伤问题。并通过优化装夹方案，改进装夹流程，解决了该工件的装夹加工难题。1项目背景及现状分析1.1产品介绍某型号燃料贮箱为关键结构件，由8个不同规格的筒类零件组成，其中每个筒类零件是由4块壁板焊接而成，用于燃料加注和储存。筒类零件在切边前，需要经过机械铣、滚弯、表面处理、焊接等多道工序。5 m级筒类零件直径大、壁厚小，加工时易产生变形。以筒类零件xx-xxA为例（如图1），其最大直径为5002 mm，轴向长度为2400 mm，最小壁厚为3.5 mm。因此需使用专用工装对其进行装夹1。在焊接前需要切除筒段的上下两端废边。在切除过程中，要保证两条焊接边的平行度，铣削后保证筒段端面平面度不大于1 mm，零件总高尺寸公差不允许超过3 mm。1.2筒段（短壳）工装生产筒段需使用筒段专用工装（如图2）。筒段铣边系统原设计为整体立式结构，采用轴向电动机伺服驱动，径向 气 动 撑紧结构。通过上、下撑块 实 现 筒段的装夹，撑 块 的 最大 直 径 则是 筒 段 内壁直径2。1.3问 题分 析 及 改进目标筒 类零 件 产 品需 将 直 径为5 m、高度为2.4 m、壁厚只有3.5 mm的圆筒套入高度5.5 m工装外侧。在产品变形的情况下给吊装过程带来巨大难题，产品起吊高度6 m套入单边间隙只有15 mm的工装，在天车下落过程中的小幅晃动将造成内表面划伤。由于产品直径大、壁厚较薄、强度低，导致在加工过程中刀具振动明显，产品表面粗糙度不满足工艺要求。因此，为保证产品研制生产的顺利进行，首先需要解决产品装机和划伤问题3。2改进过程及加工工艺方案2.1 改进技术方案及分析通过试验件的加工，前后进行5次试验，均发现筒类摘要：针对大型薄壁产品在机械加工过程中的吊装、转运、装夹工序中的划伤，研究了加工工艺，采用型面吻合高阻尼支撑块技术，有效解决了5 m级贮箱吊装磕碰的难题。通过重型整体气动夹紧工装增加该薄壁筒类零件的强度，减少刀具在加工中的自激振动，实现了零件的可靠装夹，保证了零件机械加工的高精度要求。关键词：薄壁零件；防划伤；变形；大型工装；筒形零件中图分类号:TH 162文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08015403Research on the Processing Technology Scheme of 5 m Large-Scale Thin-walled Cylinder PartsWANG Yang,ZHU Song,FAN Yanquan,ZHANG Jinyu,WANG Yuanjun,LIU Qiang,LI Junwen(Tianjin Aerospace LongMarch Rocket ManufacturingCo.,Ltd.,Tianjin 300462,China)Abstract:To solve the scratch quality problems in the hoisting,transferring and clamping processes of large thin-walledproducts in the process of machining,the processing technology is studied.The profile matching high damping supportblock technology is adopted to effectively solve the problem of 5 m tank hoisting and bumping.Through the heavy-dutyintegral pneumatic clamping tooling,the strength of the thin-walled cylinder parts is increased,the self-excited vibrationof the tool in processing is reduced,the reliable clamping of the parts is realized,and the high-precision requirements ofthe parts are guaranteed.Keywords:thin-walled parts;anti-scratch;deformation;large tooling;cylindrical parts图2专用工装和上下撑块图15 m级筒类零件示意图154机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER零件内壁有不同程度的划伤（如图3），对产品表面质量造成重大影响4。通过问题分析可知，单纯靠吊装技能是无法保证产品表面质量的，工装的可靠性成为最大的难题。在不 改 变原 工 装 性能，只有通过 自 制 简易 防 划 伤垫块，才可以 避 免 零件的划伤。通 过大量的加工试验，发现导致产品划伤的因素主要集中在工装上顶盖处。主要是内外支撑座收缩回，导轨突出顶盖外圆处（如图4）。在防划块制作材料选择上，要求选用材料不允许划伤产品，硬度适中，要有一定的耐磨性和抗冲击力，可以实现批量生产而不被磨损。通过对比最终选用聚氯乙烯材料的垫板作为主要材料，可避免筒类零件与工装的直接接触。防划块加装在上撑块与筒类零件的接触部位，以大型筒类零件切边工装上端盖中心为支点，以放射式加装聚氯乙烯支撑块来解决划伤问题。安装位置和数量的选择关系到吊装过程中的稳定，如果防划块数量过于密集，导致吊装过程间隙量太小，容易造成筒类零件倾斜与工装卡死，且不易观察到吊装安全事故（如图5）。确定防划块的安装位置，加工3处长圆孔，用于安装后位置调整，外形加工按筒类零件弧面形状制成（如图6），安装于外支撑导轨中间位置，经过计算确定，将防划块安装在突出工装52mm处（如图7），保证在产品套入工装前防划块高于内撑块，起保护作用。加工时内撑块撑出，防划块要低于内撑块，防划块不与产品干涉，经过大量的试验得出，防划块安装距离为52 mm5最合理（如表1），避免了撑块与筒类零件的直接接触，解决了筒类零件阳极化内表面划伤问题。2.2加工工艺方案1）吊装过程。加工该产品所用设备为大型落地式镗铣机床（如图8）。筒类零件铣切工装高度为5.5 m，起吊高度需超过5.5 m，吊装大型筒类零件采用八点起吊法（如图9），可保证起吊过程平稳安全。由于直径较大，吊装过程中需保证工件的平稳性及安全性，吊装过程中要保证工件的吊装轨迹合理化，尽量避开关键产品等。筒段吊装过程中天车小勾应上升到最高限位，已按照需求计算好吊链长度，既能满足筒段进入工装高度，又能达到天车高度极限位置，以免因高度不够而和工装发生碰撞。吊具中8根吊勾应均布，方便筒段加工完成后的吊装，使各起吊点的力均匀分布。筒段放入工装后下端托盘L侧边全部处在最外边（如图10），防止筒段废料撑开后滑落，避免安全隐患。2）装夹过程。筒段夹紧是靠工装气动系统（如图11）控制气缸推动撑块撑开的作用力来夹紧产品，由于筒段刚度较低，如果吊装放置后的筒段偏离工装中心位置较大，夹紧力就会使筒段圆度偏差较大，切削难度会增加。因此撑紧过程中需要经过23次的试预紧动作，尽可能消除偏差，达到最佳状态。撑块夹紧动作顺序为：下内撑块下外撑块上内撑块上外撑块。3）铣削过程。撑块撑紧完成后，测量筒段垂直方向偏差，依靠钳工划线基准，使用划针旋转机床B轴来确定参考线的高低偏差。通过划针找正计算出的数值，在筒段上下两端参考线两侧进行划印工作，铣削深度控制在2 mm左右，离钳工参考线留有3 mm余量。在产品上端开粗切断后，上端只有一半的撑块起作用，筒段自重等问题会使下端开粗时存在下坠的风险。最终工艺加工步骤定为：下端开粗下端精铣上端开粗上端精铣。刀具使用参数如表2所示。图3试验件内表面划伤图4产生划伤的部位图5防划块的位置图7聚氯乙烯垫板安装位置图6自制聚氯乙烯垫板表1试验效果评价防划块安装距离/mm使用效果45防划块低于撑块时未能起到防划作用52防划块位置位于内支撑外，满足需求65防划块太突出，工装直径变大，增加筒类零件吊装难度图8所用设备图10托盘底座图9专用吊具155机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER图13改进后刀具加工状态图11工装气动系统下端开粗时，通过划印得出的筒段实际总高，计算是否满足在保证参考线的情况下总高不超过3 mm要求。下端精铣时，通过下端开粗后数值拟合，计算精铣参数，刀具加工第一刀应停下主轴测量，检查数值输入是否准确。精铣加工完成后，用自制自锁防滑楔块（如图12）垫实空隙处，防止筒段下滑。筒段装夹过程中，筒段圆度是由工装撑块撑出后自然形成，由于工装撑块撑紧状态自身圆度较差，操作人员无法干预圆度找正，故每次筒段撑紧后圆度差异较大，最大偏差达30 mm左右，且刀具有效切削刃长也仅有25 mm，如操作人员未及时修正进退刀量，会导致折刀及质量风险。解决方案为：用不同的颜色涂在铣刀上，尽量选择比较深的颜色，便于观察。颜色分别为蓝色、绿色、红色（如图13）。蓝色表示刀具与工装的距离为79 mm。绿色表示安全色，理想加工状态，刀具与工装的距离为57 mm。红色表示刀具到工装距离小于2 mm，刀具可能完全进入工装与产品干涉，此时应该及时退刀。通过此次改进，操作人员可随时观察刀具切削状态。3结语本文针对某型号筒段、短壳加工过程中吊装划伤问题进行分析讨论，自制专用的防划伤装置，该装置在我公司所有筒类零件加工上得以应用。改进项目实施后，车间先后生产40多个筒类零件、短壳，均未出现划伤问题，划伤问题得到有效的解决。通过采用专用重型气动夹紧工装，解决了筒段在机械加工中产品变形、装夹困难的问题。截至目前为止，公司完成的所有产品合格率为100%，加工周期大幅缩短，该工装应用为航天薄壁类零件装夹提供了一种可靠的工艺方案。参考文献1张权民,史朝辉.机床夹具设计M.北京:科学出版社,2006:20-23.2陈宏钧.实用机械加工工艺手册M.3版.北京:机械工业出版社,2009:15-18.3成大先.机械设计手册:第2卷M.北京:化学工业出版社,2014:6-10.4袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技术M.2版.北京:机械工业出版社,2011:11-12.5杨叔子.机械加工工艺师手册M.北京:机械工业出版社,2006:40-45.（编辑邵明涛）作者简介：王杨（1993），男，大学专科，助理工程师，从事航空航天数控加工技术工作。收稿日期：2023-02-23表2刀具使用参数刀具转速/（r min-1）进给速度/（mm min-1）10 mm硬质合金铣刀700800150210图12自锁防滑楔块筒段上端筒段下端内撑块AB156