杨世广 杨志凯

（新乡航空工业（集团）有限公司  河南  新乡 453000）

摘要：大通径薄壁壳体零件，由于直径大，薄壁等结构特点，导致其加工难度大，质量难以保证，产品合格率低。本研究通过优化珩磨加工工艺，采用低应力装夹控制其变形，优化珩磨压力及珩磨速度工艺参数等措施，实现了零件高精度和低粗糙度的要求，保证了产品的质量要求，显著提高了产品合格率。

关键词：大通径；薄壁零件；珩磨参数；加工工艺；变形控制

1  前言

大通径零件常常出现在核电设备、大型内燃机及航空航天器的筒体结构中，此类零件通常具有直径大、薄壁及高精度等典型结构特征，导致其结构刚性较低。在加工过程中，若工艺方法、切削参数或装夹方式选择不当，加之零件自身残余应力的释放，极易引发变形超差问题^[1-2]。对于大直径薄壁零件的内孔，当形状精度（圆柱度和直线度）、表面粗糙度有严格要求时，珩磨是近乎无可替代的精加工方案。

本研究以航空飞行器液冷系统中的关键承压密封部件膨胀箱筒体内孔珩磨加工为研究对象，通过优化加工工艺方案、选择合理工艺参数并采用柔性装夹方式等措施，提高了产品加工精度，满足了产品要求。

2  珩磨工艺

珩磨加工是使用一种称为“珩磨头”或“珩磨杆”的工具来加工零件的工艺方式，其上装有数条油石磨条，在加工过程中，珩磨头一边旋转，一边做直线往复运动，从而在零件内孔表面上切削出交叉网纹。这种加工方式具有如下特点^[3]。

（1）形状修正能力强，珩磨头与机床主轴通常是浮动连接，其中心线与孔的中心线自适应对齐。同时，珩磨油石与孔壁是大面积接触，其切削轨迹形成的“交叉网纹”能均匀地去除材料的高点。它能有效修正前道工序产生的圆度误差和轴线的直线度误差。

（2）加工表面质量高，油石的旋转与往复运动是加工表面形成了特定角度的交叉网纹表面。同时通过选择油石粒度和工艺参数，可以获得可控的表面粗糙度。其加工后的表面粗糙度值可以达到Ra0.3 μm~Ra1.6 μm。

（3）切削热和热变形小，珩磨过程是低速加工，切削热相对较少。同时，有大量珩磨液进行冷却、润滑和冲洗，能迅速将热量带走，降低了切削热产生的热应变和变形。

珩磨加工特别适合于大直径液压油缸、大型发动机的缸套、大型阀门的内腔、航空航天器上的大型筒体等对孔的几何形状、尺寸精度和表面功能性有极高要求的场景。

3  产品结构分析

航空液冷系统中的膨胀箱是保障整个液冷系统高效、可靠、安全运行的关键承压密封部件。该型膨胀箱材料选用了7A04超硬铝锻件，箱体内大直径通孔的加工是技术关键。其通径结构部分如图1所示，零件直径达到了mm，高度为300 mm、壁厚仅有3 mm。

图1  膨胀箱结构图

零件大通径结构工艺特点如下：

（1）薄壁刚性弱。零件径厚比（内径与壁厚比值）高达90，截面处最大长宽比仅为100，属于典型大通径薄壁筒状壳体零件，其自身结构导致其抵御变形能力较差，机械加工过程中受内部残余应力、刀具切削力、工装夹紧力的影响，极易产生变形^[1]。

（2）精度要求高。零件属于活塞式动密封结构，因此对内孔圆柱度要求0.04 mm，表面粗糙度Ra0.32 μm。可见零件结构对加工制造提出了极高要求。

（3）珩磨平衡难：表面处理后的二次精珩，需在极小余量下同时保证修正变形、达到精度要求且不磨穿镀层（避免“露白”）。

4  工艺分析

零件在加工前期，因上述问题导致大直径通孔加工的合格率仅为10%左右。通过对前期产品的加工数据进行统计，发现珩磨前工序的加工质量是决定产品最终质量的关键，统计数据见表1所示。

由表1可知，如果珩磨前圆柱度控制在0.07～0.11 mm内，其珩磨后的圆柱度将显著提高，最佳点已接近0.04 mm的设计要求。因此控制珩磨前的变形，保证其初始几何精度，是后续精密珩磨成功的基础。

控制精珩前工件精度的难点可归结如下几点：

（1）变形控制：如何优化从粗加工到精加工的全流程工艺，最大限度释放和减小工件内应力，将珩磨前的内孔圆柱度稳定控制在0.07 mm以内^[4]。

（2）余量平衡：如何科学设置珩磨余量。余量过大易导致工时延长、热变形加剧并引发“露白”；余量过小则无法修正前序误差。

（3）精密珩磨：如何通过优化珩磨工艺参数（压力、速度）和装夹方式，在修正圆度的同时，稳定获得超光滑表面。

5  工艺改进措施

针对以上工艺分析，本研究制定了系统性解决方案，采取以下三项工艺改进措施。

5.1    优化珩磨前序加工工艺

通过前期的试制和数据分析，珩磨前的工序安排及尺寸控制对零件的最终精度影响很大。过大的珩磨余量，不仅加工效率低下，且长期珩磨过程产生的磨削热将导致工件热变形，进而影响产品精度。为此优化珩磨前加工工艺，在珩磨工序之间，增加精加工工序。该工序的主要目的是对内孔进行精镗修整，确保珩磨前的工序件满足：①圆柱度≤0.07 mm；②珩磨余量缩减至0.2 mm。该工序不仅减少了珩磨磨削量，提高了加工效率，也能有效抑制衍磨产生的热变形。

5.2    低应力柔性装夹技术

装夹变形是导致圆柱度超差的主要原因之一^[5]。传统夹具易产生过定位或局部应力集中。本研究设计了一种“自重压紧+侧向防转”的低应力装夹方案。如图2和图3所示，底板a与珩磨机床轨道通过螺栓连接，底托f与底板a通过销连接，工件放置于底托f内实现定位与固定，工件上方安装上托e，上托的顶部安装有压板d，压板d、底板a通过支柱b连接，支柱b的上部通过螺母c连接。此工装利用压板的自重施加主要装夹力，侧边螺栓仅起到限制零件周向转动。通过百分表打点测量，确保工件在装夹前后、同一测量点的跳动变化量不大于0.005 mm，装夹效果如图4所示。此方法实现了夹紧力的均匀分布，彻底消除了装夹引起的附加变形。

图3 柔性装夹结构

5.3    优化珩磨技术参数

珩磨参数直接影响加工效率、表面质量和几何精度^[3]。珩磨参数主要包括珩磨压力和珩磨速度。珩磨压力是指油石作用于工件表面的径向压力。在精珩阶段，为了获得镜面效果，必须采用较低的珩磨压力。珩磨速度通常是指主轴转速，在一定的转速范围内，较高的转速不仅可以提高加工效率，也可以获得更高的表面质量^[6]。

图4 装夹效果

（1）优化珩磨压力：在珩磨机上“珩磨压力”的实际控制通常是通过控制珩磨头的进给力来实现的。机床的进给系统会施加一个恒定的力，使油石压向工件表面。初始压力负载设定为15 N，发现油石磨损快且不均。经多次试验，将珩磨压力负载优化至10～12 N。此压力范围既能保证油石与孔壁充分接触和有效切削，又避免了压力过大导致的油石快速磨损和内孔表面划伤。

（2）优化珩磨速度：初始设定主轴转速为80 r/min，加工效率和表面质量均达不到质量要求。通过工艺试验，将珩磨转速提升至100-120 rpm。该速度区间确保了油石在单位时间内有足够的切削速度，从而达到了要求的表面质量和更高的加工效率^[7]。

6  实施效果

通过上述针对膨胀箱壳体内大通径部分加工的关键技术优化与实施，该零件的加工质量得到显著提升，核心技术指标的合格率实现大幅提高。为精准验证技术方案的有效性，对批量生产的零件进行抽样检测，选取内孔圆柱度与表面粗糙度两项关键技术指标展开系统测试，实测数据统计结果如表 2 所示。

由表 2 数据可知，优化后加工方案生产的零件，其核心技术指标均全面满足设计要求，且关键指标表现显著优于预设目标。具体来看，内孔圆柱度实测平均值为 0.026 mm，较技术要求值（≤0.04 mm）降低 35%，有效保证了内孔与配合部件的装配精度，减少了运行过程中的间隙误差；内孔表面粗糙度实测值为 Ra0.25 μm，较技术要求值（Ra ≤0.32 μm）优化 21.875%，显著降低了零件表面的摩擦系数，提升了耐磨性能与使用寿命。

综合试验结果分析，本次优化后的珩磨加工技术方案通过对工艺流程的优化、参数的精准调控与装夹技术的改进，不仅彻底解决了原方案中大通径部分加工精度不足的问题，更使核心技术指标达到了行业先进水平。数据层面的显著提升充分证实了技术方案的科学性与有效性，为膨胀箱产品的批量生产提供了可靠的工艺支撑。

7  结论

本研究以航空飞行器液冷系统中的关键承压密封部件膨胀箱筒体内孔珩磨加工为研究对象，该零件在加工前期，由于自身结构特点，导致产品的合格率很低，仅为10%左右。为此，本研究采取了三项措施，第一优化加工工艺，利用精镗控制珩磨前的内径圆柱度和加工余量；第二改进装夹方案，采用“自重压紧+侧向防转”的低应力装夹技术，以减小装夹应力的影响；第三优化珩磨工艺参数，修改珩磨压力，试验后的珩磨压力设定为10～12 N，调整珩磨速度参数，通过对比珩磨速度对加工精度的影响，最终珩磨速度设定为100～120 r/min。通过上述方法的改进实现了膨胀箱内孔高圆柱度与低粗糙度的核心工艺要求。产品的合格率大幅提高到了95%以上。

本研究成果已在本单位同类大通径薄壁膨胀箱零件加工中全面推广应用，覆盖3个系列、5种规格的膨胀箱产品生产，累计稳定量产零部件超200件。该成果不仅显著提升了该类产品质量合格率与生产效率，更凭借实际项目中的成熟应用经验，为行业内大通径薄壁类零件的加工提供了可直接借鉴的工艺方案和量产应用范例，具备良好的行业参考价值与推广前景。

参考文献

[1] 张朋朋. 大直径薄壁环框零件精密加工工艺研究[J].工具技术,2025,59(06):122-127.

[2] 王勇.大直径薄壁环件加工方法及其工艺分析[J].中国机械,2025,(05):39-42.

[3] 张斌.高精度内孔珩磨技术研究及工艺方案优选[D].中北大学,2016. 

[4] 侯学元,王铎.薄壁零件内孔加工变形研究[J].机械制造,2018,56(07):75-78.

[5] 柳青松. 机床夹具设计与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2021.

[6] 付建波.柴油机气缸套精密珩磨工艺及其表面粗糙度控制[J].科技与创新,2025,(18):105-107+114.

[7] 陈晓明，赵刚.珩磨工艺参数对表面质量影响的研究进展[J].现代制造工程. 2023(07).