白雪坤

成都劍澗優(yōu)能航空設(shè)備制造有限公司 四川成都 610213

1 序言

圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件常見于閥體類、泵體類和芯體類等零件，應(yīng)用于軍工、航天及高精密模具等領(lǐng)域。圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件的最顯著特點就是精度高且形狀復(fù)雜，在材料選擇上以2A12-T4鋁合金居多，是一種常見材料，其機械加工性能良好，由于其最大的特點是易變形[1]，因此其加工難度顯而易見。

2 泵殼芯體的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)難點

2.1 結(jié)構(gòu)特點

圖1所示圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件為動力裝置中的泵殼芯體，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該泵殼芯體為復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)件，且屬于薄壁件。從輸出精度上看，泵殼芯體是關(guān)鍵精密輸出結(jié)構(gòu)件；從裝配結(jié)構(gòu)上看，泵殼芯體是整套結(jié)構(gòu)的裝配載體。

圖1 動力裝置中的泵殼芯體

圖2 泵殼芯體結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)難點

泵殼芯體關(guān)鍵尺寸精度如圖3所示，工件上有多處幾何公差要求，且精度在0.02mm。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，局部實體連接部分壁厚僅為2.5mm，符合薄壁件結(jié)構(gòu)特點；從加工工藝上分析，在保證產(chǎn)品精度的同時，如何控制產(chǎn)品的變形顯得尤為重要。

圖3 泵殼芯體關(guān)鍵尺寸精度

3 粗加工方案

3.1 第一次開粗

第一次開粗如圖4所示。

圖4 第一次開粗

實施方案：普通車床加工，自定心卡盤夾持毛坯，對原始圓形毛坯進行大余量開粗，工件單邊留量0.5mm，保證整體幾何公差精度＜0.1mm。

工藝分析如下。

1）去除大余量毛坯，使產(chǎn)品做初次應(yīng)力釋放。

2）粗車后工件的整體幾何公差精度應(yīng)＜0.1mm（含同軸度、垂直度和平面度），為后序定位加工做準(zhǔn)備。

3.2 第二次開粗

（1）反面第二次粗加工 反面第二次粗加工如圖5所示。

實施方案：用三軸加工中心加工，立式自定心卡盤裝夾工件底部圓形毛坯。

1）對圖5所示工件綠色區(qū)域進行二次開粗，單邊留量0.5mm。

2）將圖5所示工件紅色區(qū)域凹槽加工到位（即最終產(chǎn)品此處區(qū)域加工到位，不留余量）。

圖5 反面第二次粗加工

3）運用孔與孔之間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換（見圖6），將8個ST5（φ5.2mm）底孔轉(zhuǎn)換為6個M4螺紋孔和2個φ4mm銷孔。圖6a中2處粉色孔為銷孔，6處深藍色孔為螺紋孔，尺寸精度轉(zhuǎn)換如圖6b、圖6c所示。

圖6 孔與孔之間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

4）圖5中有孔的大平面見光即可，保證與各孔垂直。

工藝分析如下。

1）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸精度分析得出圖5紅色區(qū)域為減重區(qū)域，因此加工到位，同時也滿足產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力的二次釋放。

2）在本工序孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，與大平面共同形成“一面兩銷”的經(jīng)典裝夾定位模式，為后序工裝設(shè)計做準(zhǔn)備[2]。

（2）正面第二次粗加工 正面第二次粗加工如圖7所示。

圖7 正面第二次粗加工

實施方案：五軸加工中心加工，專用工裝裝夾。

1）設(shè)計一面兩銷五軸正面銑削專用工裝（見圖8）。

圖8 五軸正面銑削專用工裝

2）圖7所示工件綠色區(qū)域進行二次開粗，單邊留量0.5mm。

3）圖7所示工件紅色區(qū)域凹槽加工到位（即最終產(chǎn)品此處區(qū)域加工到位，不留余量）。

工藝分析如下。

1）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸精度分析得出圖7所示紅色區(qū)域為減重區(qū)域，因此加工到位，同時也滿足產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力的二次釋放。

2）工件屬于鏤空結(jié)構(gòu)的薄壁件，應(yīng)優(yōu)先考慮讓工件垂直方向受力，而不是徑向受力，設(shè)計思路為：①定位面設(shè)計思路。結(jié)合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，遵循一面兩銷裝夾原則，圖8a中綠色面為定位面，兩處紅色銷釘限位[3]。②裝夾方式設(shè)計思路。結(jié)合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，設(shè)計4顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘（圖7中深藍色零部件），反拉工件主體螺紋的裝夾方式，考慮到本工序工件銑削余量較多，在工件最上端增加圓形蓋板（圖7a最上端黃色零部件），很好地起到穩(wěn)定工件主體的作用。

4 時效處理

入爐溫度：室溫；升溫速度：127℃/h；保溫溫度：（185±10）℃；保溫時間：4～5h；降溫速度：43℃/h；冷卻方式：隨爐冷卻；出爐溫度：室溫。

工藝分析：①消除工件加工過程中的內(nèi)應(yīng)力。②穩(wěn)定工件基體組織。

5 關(guān)鍵部位精加工方案

5.1 車床工序

實施方案：數(shù)控車床加工，設(shè)計專用工裝裝夾。

1）圖9所示為自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光。車床鏜軟爪，輕夾藍色外圓，端面貼緊，車削紅色大面見光。

圖9 自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光

2）圖10所示為精車工件正面。專用工裝裝夾（與五軸正面銑削工裝相同），精車工件所有內(nèi)孔區(qū)域與外圓紅色區(qū)域。

圖10 精車工件正面

3）圖11所示為反面車削工裝。內(nèi)孔配合專用心軸裝夾（見圖11a），打表復(fù)查上一工序已加工外圓及軸向圓跳動在0.01mm以內(nèi)。圖12所示為精車工件反面及燕尾槽。按圖12裝夾方式，精車外圓紅色區(qū)域及燕尾槽至達到尺寸要求（圖12綠色區(qū)域是燕尾槽）。

圖11 反面車削工裝

圖12 精車工件反面及燕尾槽

4）根據(jù)燕尾槽尺寸精度要求（見圖13），自制燕尾槽粗、精加工車刀（見圖14），粗、精車削燕尾槽至達到尺寸要求，保證尺寸精度及表面粗糙度要求。

圖13 燕尾槽尺寸精度要求

圖14 自制燕尾槽粗、精加工車刀

工藝分析如下。

1）圖9所示自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光，其實就是在修正熱處理后的基準(zhǔn)平面，屬于本工序的關(guān)鍵點，看似簡單的一個動作，實則暗藏玄機，例如，起初的工藝，在精車過程中沒有修正基準(zhǔn)平面工序，工件加工完成后，尺寸公差、幾何公差出現(xiàn)超差現(xiàn)象，但是分析裝夾方案卻又是合理的，究其原因是忽略了鋁合金材料的塑性變形。為了解決這一問題，反復(fù)試驗后，得出一個結(jié)論，即在自由狀態(tài)下加工基準(zhǔn)平面。

工件的自由狀態(tài)，就是有剛性條件支撐下的工件狀態(tài)，通俗來講，就是工件當(dāng)前狀態(tài)下本體強度好。因此，精度高的結(jié)構(gòu)件，一定要在工件精加工前使工件具有剛性，為精加工前的工件創(chuàng)造剛性條件，在剛性條件支撐下，再來修正基準(zhǔn)平面，而且修正量一定要少，基準(zhǔn)面見光即可，這就是自由狀態(tài)下修正基準(zhǔn)平面的含義，這一點很重要。

如圖9所示，工件內(nèi)孔還沒有精車之前，工件是存在一定剛性的，在此基礎(chǔ)上加工基準(zhǔn)面，這樣的面才是平的，所以說這一工序十分關(guān)鍵。

2）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合各工序基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，尋求設(shè)計工裝的共性特點，最終完成精車工序?qū)Ｓ霉ぱb的設(shè)計。該設(shè)計方案與五軸正面銑削工裝設(shè)計方案完全相同，既簡化了各工序工裝繁多的現(xiàn)象，又能使工裝之間存在可替代性。

3）根據(jù)產(chǎn)品燕尾槽結(jié)構(gòu)，自制燕尾槽車刀，既保證了產(chǎn)品精度，也節(jié)省了刀具成本。

4）車削工件反面的專用心軸工裝（見圖11）的設(shè)計思路為：①遵循孔與軸的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換原理，心軸與工件內(nèi)孔屬于精密間隙配合方式。②在工裝上增加一處長圓柱銷，在起到防轉(zhuǎn)作用的同時，更有利于工件與工裝之間作用力的傳輸。

5.2 銑床工序

實施方案：五軸加工中心加工，專用工裝裝夾。

1）產(chǎn)品正面精加工如圖15所示。專用工裝裝夾，精加工工件正面上標(biāo)有紅色標(biāo)記的各圓孔、螺紋孔及內(nèi)腔4處鍵槽至尺寸要求。

圖15 產(chǎn)品正面精加工

2）設(shè)計五軸反面銑削專用工裝（見圖16），精加工工件反面（見圖17）。

3）工件反面加工順序：按圖17a方式裝夾工件，加工圖17a、圖17b中紅色標(biāo)記的8處螺紋孔、掛鉤區(qū)域及掛鉤內(nèi)壁，期間程序暫停，按圖17c所示卸下圓形壓板，再加工工件端面紅色區(qū)域至尺寸要求。

工藝分析如下。

1）反面銑削專用工裝（見圖16）裝夾設(shè)計思路：①定位面設(shè)計思路。依然遵循一面兩銷裝夾原則，圖16a中兩處綠色面為定位面，底部兩處紅色銷釘限位。②裝夾方式設(shè)計思路。根據(jù)工件螺釘位置，設(shè)計圓形花形壓板（見圖17a藍色零部件），為防止精銑側(cè)面掛鉤振刀，增加中心圓形壓板（見圖17a上端黃色零部件）。

圖16 五軸反面銑削專用工裝

圖17 產(chǎn)品反面精加工

2）工件反面精加工分兩工步進行，主要原因在于工件反面掛鉤懸伸過長，在沒有圓形壓板的情況下，掛鉤區(qū)域發(fā)生振刀現(xiàn)象，表面粗糙度不達標(biāo)。

3）最后一個工序銑床工序關(guān)鍵部位精加工，加工內(nèi)容較少，不會對整體精度產(chǎn)生影響，更不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，工件加工完成后，經(jīng)檢驗滿足圖樣要求。

6 結(jié)束語

圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件泵殼芯體的整個工藝開發(fā)過程的技術(shù)關(guān)鍵點，主要體現(xiàn)在以下3個方面：①從圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，著重考慮產(chǎn)品在裝夾過程中的受力方向。②讓工件在自然狀態(tài)下裝夾，消除工件基準(zhǔn)平面的變形。③在產(chǎn)品加工過程中多次釋放內(nèi)應(yīng)力。以上3個方面相輔相成，使高精度產(chǎn)品得以完成。

專家點評

文章針對泵殼芯體的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)難點，制定完整的工藝方案，加工過程中著重考慮零件的裝夾和受力方向，通過粗、精加工和時效處理多次釋放內(nèi)部應(yīng)力，有效控制了產(chǎn)品變形。

文章內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)完整，思路清晰，圖文并茂。亮點是泵殼芯體關(guān)鍵部位的精加工，從實施方案到工藝分析，尤其是精車過程中一些容易忽略的細節(jié)都闡述得非常詳細。通過專用工裝設(shè)計、在自由狀態(tài)下加工基準(zhǔn)平面的方法，解決了鋁合金材料的塑形變形難題，為類似薄壁鏤空零件的加工提供了實用經(jīng)驗。