浅谈某薄壁衬套加工工艺的改进方法

李杰，赵德满

(中航工业长沙中传机械有限公司，湖南长沙410200)

薄壁衬套(壁厚小于3 mm)广泛应用在直升机上，是直升机上的一个重要零件，其加工质量关系着直升机性能的发挥。衬套类零件内外圆、端面的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度，是此类零件的主要技术要求(见图1)，是加工要解决的主要问题。用于直升机上的衬套类零件大部分为铝合金材料，铝材质量轻、刚性不足、易变形且只能车削加工，不能采用磨削工艺。因此，该类零件加工时通常以内孔、端面定位，或者使用专用芯棒夹具。一般来说，车削加工先车内孔，再以内孔、端面定位，插入芯棒装夹工件，再车外圆，这样符合基准重合、统一的原则。

图1 衬套结构及技术要求图

1 工艺改进过程

该零件首次加工采用的是常规工艺，即先加工内孔再以内孔、端面定位加工外圆。用常规方法加工出来的零件，变形较大，内外圆椭圆度较大，尺寸和同心度无法保证。

衬套原加工工艺共4 道工序:粗车外圆、内孔→粗车内孔、端面→时效处理→精车内孔、端面→精车外圆、端面→表面处理→检验。

分析原工艺存在以下问题:

(1)精车内孔和精车外圆由两道工序完成，有两次装夹，存在安装误差，难以保证较高的内外圆同心度要求;

(2)精车内孔时采用三爪夹紧外圆，装夹时在三爪径向力作用下，使零件产生弹性变形。

(3)精车外圆时，穿芯棒用内孔定位压紧右端面。该压紧面小，装夹时在压紧力作用下使零件产生变形。

针对上述问题，作者重新对该零件进行工艺分析，决定在车削该衬套内孔时为了保证内外圆同心度要求，采用“一刀下”的方法，即粗车外圆、端面、内孔，再精车外圆、端面、内孔，使内外圆加工在一次装夹中完成，可有效消除安装定位误差。因此，在工艺上增加工艺夹头，方便衬套一次装夹加工，同时避免了三爪产生的夹紧力直接作用于零件上，减少了零件产生的夹紧变形，也省去了精车时的工装夹具。

新工艺流程如下:粗车→粗车→时效处理(去应力)→精车→切断→表面处理→检验。精车工序如图2所示。

图2 衬套精车工序图

采用该新工艺加工一批零件，在精加工完成后，零件略有变形，但检查各尺寸及技术要求均在合格范围内。再进行切断工序后，发现零件变形较大，特别在相对切断处的另一端变形更大，检查尺寸和技术要求又不合格了。对其进行原因分析，得出如下结论:

(1)从衬套结构图(图1)中看出衬套壁薄约3 mm，每一次切削由于应力释放，造成应力变形。

(2)精加工余量较多，单边达1.5 mm，受主切削力挤压作用产生了零件变形。

(3)采用了软爪夹紧的方式，零件产生了夹紧变形。

(4)切断处余量较多，切断瞬间产生较大应力，引起零件变形，特别是离切断远端处变形更大。

根据第一次工艺改进后出现的新问题，作者又重新对该零件进行了工艺分析，在第一次工艺改进的基础上再次对工艺进行了调整，决定增加一道半精加工工序和去应力工序。半精加工工序，每次车削余量控制在0.5 mm 左右，给精加工零件留余量单边0.25 mm，切断处留余量2 mm 左右，这样可以使加工应力进一步得到释放，减小精加工时的切削力;半精加工后的去应力工序，可进一步释放零件加工中的残余应力，为后续的精加工打下基础(见图3)。新工艺流程如下:粗车→粗车→时效处理(去应力)→半精车→时效处理(去应力)→精车→切断→表面处理→检验。

图3 衬套半精车工序图

同时，在精车工序，改变了零件的装夹方式，改用内孔定位，端面支靠、压紧的方式，这样可以有效地避免因三爪夹紧而使零件产生的变形(见图4)。另外，在精车、半精车工序的车削刀具上，选用前角γ0=25° ～30°、后角α0= 10° ～12°、主偏角κr=45° ～90°、负偏角κ'r=10° ～15°的刀具;切削参数选用进给量0.1 mm/r，切削深度0.05 ～0.1 mm，切削速度120 m/min。这有效减小了径向切削力，防止了切削力挤压零件产生的应力变形，也提高了零件的表面加工质量。

图4 衬套精车工序图

采用第二次改进的工艺加工了一小批零件，在切断工序后进行了尺寸和技术要求检查，均达到了图纸要求。

2 改进效果

如上所述，第二次改进的工艺虽然在工序上比第一次的多了两道工序，多了一套工装夹具，但加工精度得到了提高，加工质量得到了控制，达到了一次装夹、一次加工的效果，有效控制了零件的加工变形，保证了零件的加工质量，提高了产品的合格率，降低了生产成本。

3 结束语

通过改进这种薄壁衬套的加工工艺，零件质量的稳定性得到了很大的改善，达到了预期的目的，同时也验证了薄壁衬套类零件在实际加工中受影响最大的还是加工应力变形。因此，对于此类薄壁衬套零件的加工，主要是从如何有效消除其应力变形方面进行考虑，合理安排工艺路线，对于这种长径比小于5 倍的薄壁衬套，尽量采用“一刀下”的工艺方法。同时，还要设计合适的工装夹具、合理装夹零件以及合理选择切削刀具和切削参数。