谈舱体零件机械加工工艺设计要点

摘要：舱体零件属于弹体主要结构件之一，有机械强度和重量控制要求，其薄壁回转特征和铝合金材料的不稳定性对机械加工造成了一定难度，主要体现在舱体零件的机械加工变形导致检验数据采集困难和检验结果容易超差两方面。从工艺设计角度出发，应针对舱体零件常见的变形、尺寸精度和几何公差难保证等质量问题制定合理、可行、正确的工艺方案。基于此类零件多年来的工艺设计经验，对舱体类零件的结构、工艺性分析、工艺基准选择、工艺方案设置以及工装设计等方面进行了阐述，有利于提升该类零件的机械加工工艺设计水平和产品加工质量。通过生产过程中的工艺攻关、质量改善等活动提炼出来的工艺设计要点简明扼要，具备适应性、实用性、安全性等特点。

关键词：舱体零件；薄壁；易变形；工艺设计

舱体零件内一般放置仪器、电路板、气瓶、舵机等零部件，舱外需要连接舵翼、弹翼、挂架等重要组件［1］，在满足承重要求的同时其自身还有重量限制指标，因而此类零件多设计成铝合金材质的筒状薄壁结构存在一定的加工难度。依据工厂长期加工实践，本文总结出该类零件的机械加工工艺设计要点，与同行分享。

1舱体零件结构概述

［2］舱体零件常见外形为薄壁筒状，诸如控制舱、仪器舱类零件，轴向与径向尺寸比值＞1。某型控制舱和仪器舱结构分别如图1和图2所示。其轴、径尺寸比为1．6～2．2，外径为170～200mm，壁厚为2mm，薄壁易变形，产品的重要径向检验数据只能在机床上临床测量，当取下工件后就难以测量了，而且检验结果存在一定的超差率，可制造性差。舱体零件的内腔装控制部件，筒壁及腔内常有配合窗口和相应的螺纹孔、沉头通孔；其外侧装弹翼和舵翼，与导弹发射架连接，一般需要加工出滑块座及导向槽。

2舱体零件的工艺性分析

2．1材料

舱体零件多采用铝合金材料加工，常用的牌号为2A12－T4、7A04－T6、ZL101A、ZL205A。毛坯种类可分为型材和铸件，2A12－T4、7A04－T6多为管材和棒材，ZL101A、ZL205A则常用于铸造件。铝合金的加工稳定性差，在薄壁结构零件的加工中更容易产生变形。

2．2加工精度

［4］舱体零件的配合部位精度要求较高，为IT7～IT9；其次是控制壁厚的尺寸，其他尺寸多为自由公差。配合部位的表面粗糙度一般为Ra（1．6～3．2）μm，其余为Ra6．3μm。常见的几何公差为同轴度、垂直度、对称度和位置度等，要求值为0．02～0．08mm，由于此类零件的加工容易变形，对于尺寸精度的保证存在一定困难。

2．3薄壁结构的加工稳定性

依据铝合金类舱体零件的加工经验，当壁厚为2mm时，其径向尺寸的变形量多为其外径的千分之一，材料牌号不同，变形量略有差异，依照这个经验值估算，已经超出了配合部位的径向尺寸公差。按理论尺寸加工的内径一旦从机床上拆下后测量，就出现局部点超出公差上下限的情况。这是工件变形所引起的，对加工、测量和使用都带来麻烦。针对舱体零件薄壁结构的加工稳定性差，需要在工艺上对产品的质量控制有相应的具体措施。

3舱体零件的工艺基准

3．1粗基准的选择

粗基准的选择应能保证加工面与非加工面之间的位置要求及合理分配各加工面的余量，同时要为后续工序提供精基准。针对舱体零件的铸造毛坯，如下原则可供参考。1）为保证加工面与非加工面之间的位置要求，应选非加工面为粗基准。2）合理分配各加工面的余量。3）粗基准应避免重复使用，在同一尺寸方向上，通常只允许使用一次。4）作为粗基准的表面应平整光洁，应避开锻造飞边和铸造浇冒口、分型面、毛刺等缺陷，以保证定位准确，夹紧可靠。

3．2精基准的选择

精基准的选择应能保证工件定位准确，夹紧可靠，操作方便，可按如下原则选取。1）基准重合原则，采用设计基准作为定位基准。舱体零件常见的设计基准为内孔、外圆、端面，确定工艺基准时应首先考虑将内孔和端面作为定位基准。2）基准统一原则，工件在加工过程中应尽可能地采用统一的定位基准，如车工序和加工中心工序应尽量以同一个基准加工出相应的部位。3）互为基准原则，为使加工面间有较高的位置精度，可采取反复加工、互为基准的原则：舱体零件留余量的外圆作为基准可加工出内孔，再以内孔为基准精加工出外圆，此时外圆又可以作为加工中心的找正基准。

4舱体零件的工艺方案

4．1主要工序环节

在舱体零件的加工中采用最多的工序环节是车和加工中心，车工序完成舱体零件圆形回转部位的内外形加工，加工中心工序完成舱体零件内外型面上的滑块、窗口、螺钉孔、通孔等部位的加工。这两道主要工序环节可以实现舱体零件的大部分加工内容，同时这两道工序也是工艺方案设置的重点。车工序划分为粗车和精车，粗车常安排在普通车床上，精车则利用数控车床完成。铣工序划分为粗铣和精铣，在生产条件允许的情况下，均可以使用加工中心完成。加工中心包括卧式加工中心、立式加工中心和五轴加工中心等。卧式加工中心主要用于加工舱体端面、内腔等部位的凸台、凹槽、不规则孔、螺纹孔、通孔；立式加工中心主要用于加工舱体零件外形面上的滑块、窗口、螺钉孔、通孔；五轴加工中心兼具有卧式、立式加工中心的加工功能，而且还能加工带任意空间角度的平面、凸台、凹槽和孔系。

4．2辅助工序环节

本文重点阐述作为控制舱体加工变形的一个重要的辅助工序环节，钳工序的校形对变性太大的舱体很有必要。一般来说，只要舱体零件的设计刚性尚可，在控制好上述两道主要工序环节的情况下是不需要安排钳工校形的，但遇到了设计刚性太差又必须加工的舱体零件，钳工序的校形作用就能突显出来。钳工序校形可借助虎钳、压力机、校形工装来实现［7］，外径为170mm的舱体可以直接在虎钳上校形，大于这个尺寸的可以采取压力机校形。校形工装与舱体外径配合，工装的配合内径是舱体外径的1．1～1．382倍，这个倍数再划分2～3次，将逐次接近于工件外形的校形工装分开使用，可以将变形太大的舱体内孔校正到公差范围内，避免出现内孔多边形。钳工序校形一定要在工艺上明确校形的正确方法，避免施力过大或频繁校形使舱体出现裂缝，那样就得不偿失了。

4．3人工时效环节

人工时效在控制铝合金舱体零件变形方面很有效果，通过烘箱的加热保温及自然冷却可以消除加工过程中产生的应力，从而降低变形程度。可以根据零件结构和加工余量，设置1道或多道人工时效，一般放在精加工之前进行。

4．4工艺方案的设置

［8－9］本文提出的舱体零件的基本工艺路线如下：下料→粗车→粗铣→人工时效→精车内形→精铣内形→人工时效→精车外形→精铣外形→钳→表面处理。舱体零件的车工序应控制好加工余量，按舱体壁厚2mm为例，精车内形余量单边按0．5mm，外圆余量单边按2mm比较适宜，外圆余量较大主要是为精加工内形提供必要的零件刚性。舱体上的滑块、窗口、孔系应集中安排在精铣内形和精铣外形两道工序。划分时应注意精车外形对精铣内形所形成部位的几何公差的影响程度。

5工装

［10］舱体零件主要使用的工装有3种：涨胎、堵头和抱胎，车工序和加工中心工序所用的涨胎和堵头可以通用，卧式加工中心的抱胎需要临床加工，对于不适用涨胎的小孔径舱体可以采取两头配车堵头的方法定位加工外形。涨胎（见图3）是固定在三爪自定心卡盘上，径向受力撑工件内孔以定位加工的一种常用工装，适用于车削、铣削、钻削等工种的装夹定位。涨胎常用的材料是铝合金，另外也可以采用45钢、铸铁等材料。对于批量生产的产品以及有特殊装夹需要的产品，所用涨胎需要进行热处理，以增加胎具的刚度和耐磨性。涨胎的内孔、外圆一次装夹车成，理论上可获得较高的定位精度，实际上三爪存在的定位误差会加大产品公差的波动范围。为了避免这种情况，也可以在涨胎与三爪接触的内孔处做标记，能与三爪对应，然后用三爪撑内孔，加工外圆定位面，最后再将其锯开使用。抱胎是固定在三爪自定心卡盘上，径向受力夹工件外圆以定位加工的一种常用工装，适用于车削、铣削、钻削等工种的装夹定位。根据加工需要，可以将抱胎分成A型、B型和C型（见图4）。A型抱胎多用于反爪，B型抱胎多用于正爪，结构比较简单，可根据零件形状选取，能满足大部分的产品的精度要求；C型抱胎下端面固定在床面上，上端部分使用径向受力的方式，采取M10螺钉螺母紧固工件，适用于卧式加工中心、普通铣床加工长筒类零件，一般是2件同时使用。抱胎常用的材料是铝合金，另外也可以采用45钢、铸铁等材料。对于批量生产的产品以及有特殊装夹需要的产品，所用抱胎需要进行热处理，以增加胎具的刚度和耐磨性。堵头是机械加工常用的辅助工装，属于心轴的另一种形式，常用于车、铣工序，其尾部带有顶尖孔，配合尾顶传递轴向力，顶紧工件。本文可分为如下2种情况。1）车削工序，一般依靠堵头和工件的摩擦力实现工件夹紧即可直接加工。2）铣削工序，为防止工件因摩擦力不够导致的转动，可借助于工件上的孔来限制旋转位移，方法是：工件两端堵头尾顶，先在靠近主轴堵头的工件外圆上钻1～2个产品图中本有孔，孔深透进堵头，然后插入定位销即可。回转类心轴的示意、使用图例如图5所示。堵头常用铝合金材料即可满足要求，另外在大批量零件生产过程中也可采用45钢或合金结构钢等材料加工，同时进行热处理（调质），以增加其刚度和耐磨性。

6结语

上述内容介绍了舱体零件的机械加工工艺设计要点，化繁为简，实用为上，在实际生产中可根据企业自身的加工条件进行详细的工艺设计，这对于同类结构、同种材料的零件加工来说，具备一定的参考价值。机械加工工艺人员立足于该类零件的具体特征和技术要求进行取舍，或许能在同行之间抛砖引玉，产生新的技术交流契机。

参考文献

［1］李道奎．导弹结构设计与分析［M］．北京：科学出版社，2019．

［2］陈宏钧．实用机械加工工艺手册［M］．北京：机械工业出版社，2016．

［3］王雁彬．机械加工工艺编制指导教程［M］．北京：国防工业出版社，2015．

［4］薛岩．机械加工精度测量与质量控制［M］．北京：化学工业出版社，2016．

［5］尹成湖．机械加工工艺简明速查手册［M］．北京：化学工业出版社，2016．

［6］傅水根．机械制造工艺基础［M］．北京：清华大学出版社，2010．

［7］谷定来．图解钳工入门［M］．北京：机械工业出版社，2017．

［8］华茂发．机械制造技术［M］．北京：机械工业出版社，2014．

［9］陈明．机械制造工艺学［M］．北京：机械工业出版社，2010．

［10］关月华．机械制造工艺与夹具课程设计指导［M］．北京：国防工业出版社，2015．

作者：刘强 李博 孙韶渝 单位：西安现代控制技术研究所