薄壁鎂合金圓錐波紋喇叭加工技術

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序言圓錐波紋喇叭用于小天體探測器搭載的高增益天線，具有波瓣等化好、交叉極化電平和副瓣電平低等優(yōu)點，但其型腔復雜、結構剛性差及精度要求高等特點給加工帶來很大困難，特別是在加工鎂合金材料零件易燃、易腐蝕的情況下[1]，加工難度進一步增加，采用常規(guī)加工方法無法保證產(chǎn)品典型尺寸一致性，甚至出現(xiàn)扭曲變形、表面質量差、剛性不足及讓刀等問題。因此，通過對圓錐波紋喇叭加工技術的研究來提高零件各內(nèi)圓槽的加工精度，對整個饋源喇叭天線的生產(chǎn)制造具有極為重要的意義[2]。2

零件分析圓錐波紋喇叭結構如圖1所示，零件材料為MB2鎂合金，內(nèi)腔呈拋物線狀，由30個波紋槽和30個膜片構成，典型尺寸分別為2.25mm和0.75mm，根部波紋槽最深達17.48mm，尺寸公差均為±0.05mm?？梢钥闯?，波紋槽隨口徑尺寸變小而加深，膜片尺寸也隨之變大，0.75mm厚度的膜片最大高度為17.48mm，高厚比達23.3，內(nèi)部結構剛性極差。采用傳統(tǒng)加工方法在切削力的影響下極易導致厚度尺寸超差以及膜片變形，保證每個波紋槽、膜片尺寸精度難度很大。同時加工鎂合金材料易燃且易腐蝕，須更換專用切削液，造成加工成本增加和時間浪費，而對于單件小批量零件加工一般不使用切削液，選擇干式切削。通過分析零件的結構特點以及結合實際加工經(jīng)驗，總結出以下加工難點。1）典型尺寸多，精度要求高。2）結構剛性差，加工過程易產(chǎn)生振動。3）膜片較薄，讓刀現(xiàn)象嚴重。4）內(nèi)部為深槽結構，常規(guī)刀具無法進行加工，而且深槽加工排屑困難。5）鎂合金材料易燃，極易發(fā)生化學腐蝕。圖1

圓錐波紋喇叭結構針對上述加工難點從刀具設計、“填充式”加工技術應用和過程質量控制三個方面總結和介紹零件的加工方法。3

解決措施3.1刀具設計（1）刀具剛性設計

依據(jù)零件的結構特點并考慮加工過程中刀具剛度特性，進行內(nèi)溝槽刀設計。內(nèi)溝槽刀由刀頭和刀桿兩部分構成，根據(jù)零件內(nèi)腔最深波紋槽確定內(nèi)溝槽刀刀頭有效長度，依靠繪圖軟件確定刀桿與零件內(nèi)腔干涉邊緣，最大程度保證刀桿的加工強度。由于刀頭切削深度較長，所以勢必會造成剛性差，切削過程易發(fā)生振動、讓刀現(xiàn)象。雖然高速鋼更容易達到較好的鋒利程度，但硬度相對低，持續(xù)加工刀尖易磨損，且刀具剛性相對差，所以綜合考慮刀頭選擇硬質合金材料。刀桿材料選擇40Cr調質鋼。（2）刀具參數(shù)的選擇

由于零件波紋槽切削深度較大，深寬比最高達8左右。因此，對刀具提出很高的要求。刃口寬度過寬會增大切削阻力，加工槽底時會發(fā)生振動，造成尺寸公差和表面粗糙度超差；刃口寬度過窄則刀具剛性不足，會出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，同樣會產(chǎn)生加工振動。通過多次試切，刃口寬度控制在1.8～1.9mm加工效果較好。在加工過程中，應減小切削力及切削熱對零件（主要是膜片部位）的變形影響，采用較大前角和后角，保證切削刃鋒利，同時將斷屑槽設計成大圓弧過渡型，利于排屑。刀頭如圖2、圖3所示。圖2

刀頭尺寸圖3

刀頭實物（3）內(nèi)冷、排屑功能設計

加工過程采用干式切削，依靠高壓空氣對零件進行冷卻并清除切屑。但受波紋喇叭內(nèi)腔結構限制，高壓空氣很難到達精準位置，造成冷卻效果不佳，而且鋒利刃口切削時產(chǎn)生帶狀切屑無法被及時清除，造成擠壓、摩擦等嚴重后果。考慮以上情況，采用內(nèi)冷式刀桿，連接壓縮空氣，實現(xiàn)氣流隨刀具切削運行軌跡跟進，達到零件內(nèi)腔冷卻的目的，同時帶狀切屑在高壓空氣的沖擊下形成單元化碎屑，隨氣流及時排出，降低切屑燃燒風險，加工現(xiàn)場如圖4所示。圖4

加工現(xiàn)場刀桿中空設計，進氣孔安裝氣動快速接頭，計算好出氣孔角度，使高壓空氣能直接到達切削刃加工區(qū)域。氣流軌跡如圖5所示。圖5

氣流軌跡結論：通過自制非常規(guī)刀具，實現(xiàn)刀具剛性、鋒利程度最大化，避免加工振動與讓刀現(xiàn)象，降低切削應力對零件變形影響。內(nèi)冷、排屑功能設計，解決切削熱引起零件熱變形問題，同時降低切屑對膜片擠壓變形風險及燃燒風險，對保證零件高精度加工產(chǎn)生積極影響。3.2“填充式”加工技術應用（1）加工方法的確定

在研制過程中，采用3種傳統(tǒng)加工方式進行試切，即在不使用輔助支撐的情況下，通過變換加工思路、控制精車余量大小、優(yōu)化刀具角度及調節(jié)切削參數(shù)等方法進行加工。具體方法實施如下。1）第一種：雙面余量切削法（見圖6）。選用刀寬為1.9mm內(nèi)溝槽刀對30個波紋槽進行半精車，膜片留有0.17mm左右精車余量（此時膜片厚度剛性較好，未發(fā)生變形情況），后采用刀寬為2.25mm內(nèi)溝槽刀將余量去除，依靠槽刀寬度保證波紋槽尺寸。圖6

雙面余量切削法2）第二種：成形加工法（見圖7）?；诎刖嚂r采用刀寬1.9mm內(nèi)溝槽刀加工波紋槽膜片未變形的經(jīng)驗，選用2.25mm刀寬槽刀，膜片不留精車余量，直接將波紋槽加工至尺寸。圖7

成形加工法3）第三種：單面余量切削法（見圖8）。選用刀寬為1.9mm內(nèi)溝槽刀對波紋槽半精車，同樣膜片留有0.17mm左右精車余量，采用刀寬為1.8mm內(nèi)溝槽刀對膜片的單面進行精車加工。圖8

單面余量切削法加工效果及變形因素分析見表1。表1

加工效果及變形因素分析結論：經(jīng)過3種方法試切加工發(fā)現(xiàn)，雙面余量切削法、成形加工法兩種方法均出現(xiàn)膜片嚴重扭曲變形現(xiàn)象，而且沒有任何改善措施的可能，排除這兩種加工方法。而第三種單面余量切削法由于膜片剛性差，當?shù)毒咴谇邢鬟^程中膜片不足以承受切削力而發(fā)生變形時，隨切削深度增加，變形情況越來越嚴重，但未發(fā)生扭曲變形。因此，應當在單面余量切削法的基礎上，增加輔助支撐（填充材料）來加強膜片剛性。（2）“填充式”加工技術原理

“填充式”加工技術的原理是將低熔點物質熔化后填充在零件非加工區(qū)域，待該物質冷卻后，使零件形成一個剛性實體，對待加工面起到輔助支撐作用，從而提高零件結構剛性，改善切削性能，加工完成后再將填充物熔化分離[3]。此方法適用于結構復雜、剛性差的異形薄壁零件，能有效降低加工難度。（3）填充材料的選擇

具體如下。1）填充材料的性能要求。選擇填充物需要在性能上滿足以下要求：①具有良好的可結合性和可脫離性?？山Y合性是指填充物在常溫固化時與零件之間具有良好的結合力；可脫離性是指熔化或溶解后的填充物不會殘留在零件表面而影響表面質量。②填充材料不能與MB2鎂合金材料發(fā)生化學反應。③較低的熔點。較低的熔點便于實現(xiàn)填充物的狀態(tài)變化（固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)），完成填充過程，同時避免零件基體在高溫狀態(tài)下引起材料狀態(tài)的變化，同時減小零件的熱變形。④具有良好的切削性能。2）填充材料的確定。常用的填充材料有低熔點合金、鉛、錫及樹脂等[5]，但這些都不適合鎂合金材料零件的機械加工。如以鉍元素為主的低熔點合金熔點在70～80℃，但在去除時需將整個零件浸入開水中，使低溫合金熔化脫落，而鎂合金材料與水極易發(fā)生化學反應，腐蝕加工表面。鉛、錫熔點太高，填充時操作困難，且高溫下容易使零件發(fā)生熱變形，甚至會使材料狀態(tài)發(fā)生變化。樹脂熔點較低，但軟化狀態(tài)下的樹脂流動性不強，不容易進入腔體內(nèi)部，而且固化后樹脂硬而脆，與金屬的結合力不足。基于以上填充材料性能，并經(jīng)過試驗驗證，最終選定石蠟作為填充材料。石蠟是從石油、頁巖油等提取出來的一種烴類混合物，主要成分為固體烷烴，熔點在47～64℃，是很常見的化工、生活用品，價格低廉。另外石蠟可結合性、可脫離性和可切削性良好，且化學活性較低，不與MB2鎂合金材料發(fā)生化學反應。（4）澆注的實施

作為填充材料石蠟可操作性強。將石蠟（見圖9）加熱至液態(tài)備用，澆注前用無水酒精將零件內(nèi)腔清洗干凈，后將零件稍微預熱，避免因溫差過大造成結合力不足。在波紋喇叭小口徑處做密封工裝，小口徑朝下進行澆灌，需要注意的是澆注過程要不斷晃動零件，將內(nèi)腔氣體排出。完成澆注后，常溫下待石蠟冷卻，以免快速冷卻因粘結力不強造成石蠟脫落，灌蠟前后如圖10、圖11所示。圖9

顆粒固態(tài)石蠟圖10

零件灌蠟前圖11

零件灌蠟后（5）殘余物清洗

加工完成后，石蠟會以幾近粉末狀態(tài)夾雜鎂合金碎屑粘附在已加工表面，采用開水沖洗常規(guī)方法會導致零件腐蝕，高壓空氣的作用也很小。因此，多余物的清除也是該加工方法關注的重點問題。汽油具有溶解石蠟的物理特性，經(jīng)常作為清洗劑來清洗精密零件。通過驗證，汽油對鎂合金材料零件不存在腐蝕現(xiàn)象，這就可以很好地解決多余物清除的問題。清洗前后效果如圖12～圖14所示。圖12

清洗前圖13

清洗中圖14

清洗后實際操作中，選擇航空汽油清洗介質，將零件完全浸泡在汽油中，保證浸泡時間60min以上，待蠟完全溶解后，更換汽油進行二次清洗。最后使用超聲波設備在無水乙醇清洗介質中浸泡清洗。清洗步驟如圖15所示。圖15

清洗步驟結論：零件灌蠟凝固后形成剛性實體，膜片與膜片之間形成輔助支撐，使刀具始終在足夠剛性下進行切削，有效解決膜片剛性不足的難題，而石蠟作為阻尼材料，能有效降低切削振動，為多典型尺寸高精度車削提供有力保障。同時，由于石蠟的物理特性和化學特性，在填充、去除過程中既滿足了剛性條件，又保證了不與鎂合金發(fā)生化學反應。4

過程質量控制4.1加工基準統(tǒng)一單面余量切削法是將膜片右側統(tǒng)一加工至尺寸后，再統(tǒng)一加工左側，單面精車膜片余量時，相鄰側波紋槽充滿固態(tài)蠟，始終保證膜片在切削過程中具有足夠剛性。因此，加工過程需要進行兩次灌蠟精車。而重復裝夾會出現(xiàn)定位誤差，造成接刀、幾何精度和尺寸精度超差等質量問題。加工時，利用工藝夾頭軸向定位面實現(xiàn)軸向定位，將內(nèi)腔加工基準轉換到外徑基準面上，通過打表找正工藝基準面實現(xiàn)兩次灌蠟精車的基準統(tǒng)一（見圖16）。圖16

實現(xiàn)基準統(tǒng)一4.2檢測基準轉換受零件內(nèi)腔結構限制，無法對波紋槽槽底在線檢測，尺寸精度難以保證。加工過程中，通過合理安排走刀路線，使用一把精車刀同時將槽底和槽頂加工完成。膜片右、左側精加工走刀路線如圖17、圖18所示。圖17

膜片右側精加工走刀路線圖18

膜片左側精加工走刀路線該方法的優(yōu)點在于槽底加工狀況（包括尺寸精度、表面粗糙度）直接反映到可視可測的槽頂上，只需測量槽頂尺寸就能判斷出槽底精度。通過轉換測量基準實現(xiàn)內(nèi)腔尺寸的加工檢測，實現(xiàn)對多典型尺寸的質量控制。5

加工效果通過檢測的最終結果可知，膜片厚度、波紋槽寬度尺寸一致性良好，表面質量較好，無腐蝕，滿足圖樣技術要求。通過刀具設計、“填充式”加工方法的應用和加工過程質量控制，實現(xiàn)了對薄壁鎂合金圓錐波紋喇叭“填充-加工-清洗”全過程質量控制，達到了預期的加工效果。6

結束語在鎂合金圓錐波紋喇叭研制過程中，通過刀具結構設計、刀具參數(shù)選擇及內(nèi)冷、排屑功能刀具的應用，降低了刀具剛性、切削力、切削熱及切屑對零件加工精度的影響。通過對比分析3種不同