过群辉

（昆明船舶设备研究实验中心，昆明 650200）

为便于对水下航行体楔环内外止口的加工工艺方法进行说明，以某型号水下航行体壳体为模型展开研究，旨在为水下航行体壳体楔环内外止口的加工提供合理的机械加工方法。某型水下航行体壳体的外径为180mm，其中有4段壳体的联接采用楔环的联接方式。选择合适的加工工艺方法，对合理利用资源、提高工作效率和提升产品质量具有决定性作用。本文在综合考虑多种工艺方法的基础上，采用两种工艺方法进行壳体楔环内外止口的加工，并比较其优缺点。

1 楔环连接结构及零件模型

1.1 楔环联接结构

如图1所示，某型号水下航行体壳体楔环联接结构在两联接端的外止口外部和内止口内部有一楔环槽，在内止口上有一个楔环开口。分段产品通过定位销定位对接上以后，将带销楔环从内止口上的开口穿入到位，再通过带销楔环上的销钉装在外止口上，将楔环以相反的方向插入开口并到位，使得两段壳体联接处的端面紧靠在一起。在带销楔环和楔环之间的间隙用填片定位，防止楔环松动。此外，在楔环开口处装配盖板，并用螺钉将其固定在外止口上。

图1 某型号水下航行体壳体楔环联接结构

设计楔环时，将楔环的斜角设计为单线普通螺纹的螺纹升角，通过选用标准螺距和设计的壳体楔环槽外径确定螺纹升角[1]，计算公式为：

式中，λ为螺纹升角，p为螺距，d2为螺纹中径。

为了防止楔环松动，一方面需确保楔环斜角即螺纹升角λ小于摩擦角ψ，从而利用摩擦防松。螺纹升角λ通过螺距p的选择来确定，摩擦角ψ通过楔环间的摩擦系数确定。另一方面，在楔环间增加填片，实现机械防松[2]。根据设计原理，可以通过楔环斜角求出螺距p，然后在普通车床上加工楔环。

1.2 零件模型

如图2所示，要求零件模型对基准轴线的径向圆跳动小于0.03mm，即楔环内外止口回转体表面上各点到基准轴线间的最大距离不超过0.03mm。另外，该工艺要求楔环内外止口端面对基准轴线的垂直度不大于0.06mm，即楔环内外止口端面的平面度和对基准轴线的端面圆跳动均应小于0.06mm。这些要求说明楔环内外止口的加工须以外圆为同一基准进行加工，即第一种工艺方法。选择设计基准作为定位基准、测量基准和工序基准，可在普通车床上实现楔环内外止口的加工。另外，在遵循基准统一原则的基础上，可以把壳体内腔两端的2×45°作为定位基准，即增加两个在图纸上没做严格要求的尺寸。楔环内外止口的生产工艺要求对外圆基准A的跳动小于0.03mm。由于这两个尺寸为锥度，使得跳动包含了径向圆跳动和端面圆跳动，因此保证了定位基准能够同时满足楔环内外止口对基准轴线的径向圆跳动小于0.03mm和楔环内外止口端面对基准轴线的垂直度不大于0.06mm两个位置公差的要求，即第二种工艺方法。将设计基准转换为壳体内腔两端的2×45°的工艺基准作为定位基准，可在数控车床上实现楔环内外止口的加工。

图2 零件模型

2 加工中工艺路线应遵循的原则

楔环内外止口模型的壳体为铸造件，易产生砂眼、气孔、缩孔和椭圆度等缺陷。因此，楔环内外止口应采取粗加工工艺，目的是在去除铸造余量后进行探伤，筛选出无砂眼、气孔和缩孔铸造缺陷的零件毛坯[3]。精加工后的零件为了满足耐压试验的要求，必须保证壳体壁厚满足图样及技术条件的要求。工艺上应采取粗车，以内表面为粗基准来加工外表面，以保证内、外表面的同轴度，减小或消除椭圆度误差的影响，从而控制壳体壁厚，达到耐压要求。

在加工壳体时，铝铸件内应力很大。为满足图纸尺寸精度和形位公差的要求，工艺上应采取粗加工，表面留1.5～2mm余量，然后进行人工时效处理，目的是消除内应力，减少精加工时的变形量。精加工是为了减小切削深度和进刀量，提高机床切削速度，最大限度地消除切削加工应力，以满足零件尺寸精度、形位公差及粗糙度的要求。

楔环内外止口模型的壳体壁较薄，装夹易变形，若用一般的标准三爪卡盘装夹，会产生零件夹持变形的问题。所以，应采用专用三爪或夹具夹持，将尾座上顶板顶紧，保证装夹可靠且零件不变形。

3 在普通车床上实现楔环内外止口加工的工艺方法

该生产工艺对于加工楔环内外止口的车床有一定的技术要求。根据零件模型，应能达到精车外圆圆度允差0.015mm，直径一致性0.02mm/300mm，机床主轴跳动轴向0.015mm，径向0.01mm。在考虑定位误差、夹具有关制造误差、夹具（零件）在机床上的定位误差、工件在切削过程中所产生的误差和机床工作精度后，经检定合格的车床才能够满足壳体的精度要求。在加工过程中，还应该有经计量合格的工艺装备来确保零件的加工和测量，如表1所示。

普通车床上加工壳体的工艺路线：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工时效→半精加工→精加工外止口（普通车床）→精加工内止口（普通车床）→精加工外圆（普通车床）→后续工序→耐压试验。

4 在数控车床上实现楔环内外止口加工的工艺方法

在数控车床上加工楔环内外止口的精度指标均能满足壳体精度要求，所需量具与普通机床相同。它与普通车床的工艺方法的不同在于装夹方法和工艺路线。

分析零件模型可知，在加工楔环内止口时，将壳体内腔两端的2×45°一起找正加工完成，然后作为定位基准，就能实现楔环的外止口和外圆一起加工，从而保证零件模型的尺寸和精度要求。经过半精加工后，在数控车床上先进行两端内腔及内止口的加工，以保证模型的总长度要求，再进行两端的2×45°的加工。另外，加工壳体时面临的主要问题是如何对零件进行装夹，实现外止口和外圆的加工。零件的定位可以采用锥度顶板，利用两端的2×45°限制6个自由度，但需要工件的装夹力满足切削要求。

计算工件通过锥度顶板装夹后，机床所能提供的工件夹持力为[4]：

表1 主要工艺装备及功用

式中，P为机床尾座压强，取最大值P＝3.3N/mm2；S为接触面积，取最大值S＝1600mm2；f为摩擦系数；铝和钢的摩擦系数f＝0.17。综合计算，可得F＝897.6N。

计算工件装夹刚度，计算公式为：

式中，K为工件装夹方式系数，两头顶针夹固时K＝48；E为工件材料的弹性模量，铝合金的E=70GPa=7× 104N/mm2；I为工件的惯性矩，I=0.05d4=5.25×107mm2，其中d为车削后工件直径；f为工件允许的弯曲度，f≤1/5直径公差=0.04mm；l为工件长度，取所有壳体中最大长度，l=600mm。综合计算，可得F´=1.176×1010N。

为简便计算，按单位切削力的计算公式来计算切削力：

式中，p为单位切削力，铝合金的p=833.9N/mm2；ap为切削用量，因为半精加工后余量为1mm，取最大值ap=1mm；f为进给量，取和单位切削力相匹配的数值f=0.3mm/r。综合计算，F´=250.17N。

通过计算可知，工件切削力F´远小于工件装夹刚度F´，即车床对工件的切削力能保证壳体刚度允许的切削力要求，这样工件在切削过程中不会发生振动，有利于保证工件粗糙度在公差范围内。

工件夹持力F大于切削力F´，因此工件的装夹能满足车床对工件的切削力要求。计算工件夹持力F时考虑的是机床所能提供的最大夹持力，但实际上存在一定的风险。首先，机床提供的液压压强不能保持在最大值3.3MPa，一般情况下取1.2MPa。其次，壳体两端的2×45°可能偏小，导致接触面积大大缩小。再次，工件加工过程中夹具及工件上可能粘有润滑剂，会使摩擦系数减小一个数量级。可见，实际应用中，工件的夹持力大幅减小，严重时将小于切削力，会导致工件在加工过程中发生滑动使工件报废。

壳体内腔两端单纯依靠锥度顶板不能确保零件装夹可靠，需要寻找一种可行的装夹方式进行装夹。一种方法是采用一端鸡心夹另一端垫板夹固的方式进行装夹，能保证零件可靠装夹，但是外圆和外止口不能一次装夹加工到位，会因重复装夹影响零件形位公差，并且降低效率[5]。另一种方法是采用一端夹盘一端顶板夹固的方式进行装夹，也能保证零件可靠装夹，但是同样存在上述的问题，且增加了装夹找正的难度。

综上所述，数控车床上加工壳体的工艺路线可确定为：第一次粗加工→第二次粗加工→半精加工→人工时效→半精加工→精加工内止口（数控车床）→精加工内止口、外圆（数控车床）→后续工序→耐压试验。

5 结语

在普通车床上加工楔环内外止口的工艺方法对加工设备的要求不高，但加工周期长，对工人的技术要求较高，零件尺寸稳定性差，通常在加工数量少、数控机床负载率高的情况下采用。

在数控车床上加工楔环内外止口的工艺方法能满足零件的图纸要求，且尺寸稳定性好、加工周期短及操作工人劳动强度相对较低，适合中、小批量的生产加工。这种工艺方法常在壳体加工中采用，具有效率高（是普通车床加工楔环内外止口工艺方法的6倍）、加工的零件产品合格率高等优点，是一种高效、可行的加工方法。