薄壁鋁合金殼體零件加工方法探究

王永軍，畢永杰

山西平陽重工機械有限責任公司 山西臨汾 043000

1 序言

薄壁鋁合金殼體零件在機械領域應用非常廣泛，但此類零件結構形狀特殊，在切削加工過程中由于其剛性差、強度低，極易產生振動和變形[1]，很難保證零件的加工質量，因此薄壁鋁合金殼體零件的加工一直是機械加工領域的難題。本文以一種腰鼓形薄壁鋁合金殼體加工為例，通過工藝方案確定、工裝夾具設計及應用，介紹一種解決異形薄壁殼體類零件的加工方法。

2 零件結構分析

腰鼓形薄壁殼體（見圖1）材質為鋁合金2A12，毛坯為φ500mm×520mm的圓柱實心體，固溶T4狀態。零件結構中間為腰鼓形曲面，兩端端面法蘭結構，零件最大外徑480mm，兩端口部分別有φ296mm和φ314mm的止口，端面上均分布有孔系，中間腰鼓形部位壁厚僅為2mm，零件尺寸要求IT6級精度，外形輪廓度0.1mm，表面粗糙度值Ra＝1.6μm。分析其加工難點[2]：①毛坯去除量大，容易使工件產生應力變形。②工件壁厚僅有2mm，整體結構剛性差、強度低，切削過程中極易產生振顫及變形問題。③工件屬于異形結構，兩端法蘭厚度只有18mm，且中間部位強度差，在工件的軸向或者徑向上施加夾緊力都會造成零件變形，因此如何裝夾是難點。針對上述分析，加工該零件的重點是在工藝方案上必須充分考慮應力釋放、裝夾方式上避免裝夾變形，以及加強工件的剛性等。

圖1 腰鼓形薄壁殼體

3 加工方案確定

3.1 制定加工工藝方案

制定的加工工藝方案具體如下[3]。

1）加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段。粗加工階段在保證殼體有足夠強度的前提下去除大部分余量；半精加工階段將兩端法蘭以及內形加工基本成形且留有少許余量，端面孔系加工完成；精加工分兩步加工關鍵部位，第一步加工兩端法蘭以及內形至工藝尺寸，第二步加工全部外形至工藝尺寸。

2）在粗加工、半精加工后精加工之前安排去應力時效處理，去除零件加工過程中產生的內應力，減小應力變形，以保證尺寸及幾何精度。

3.2 夾具設計

夾具設計是該零件加工的重點，為保證零件各項尺寸及幾何要求，加強零件剛性，該夾具必須同時具備裝夾、定位以及支撐作用，設計夾具如圖2所示，該夾具包括筒體（內徑為210mm）、A支撐盤、B支撐盤、可調支撐柱、橡膠保護帽、開口楔環及壓緊螺母等部件[4，5]。筒體的一端設置夾緊端頭，中間柱面陣列有交叉設置的螺紋孔，另一端設置有滑動部位及螺紋；A支撐盤內止口與筒體夾緊端頭小間隙配合并用螺釘固定；可調支撐柱上裝鎖緊螺母并一同置于筒體中部柱面上的螺紋孔內，將橡膠保護帽套入可調支撐柱的另一端；B支撐盤的內錐孔與開口楔環的外錐面配合并同時套入筒體的滑動部位；在A支撐盤與B支撐盤之間形成裝夾零件的工位；壓緊螺母置于筒體的螺紋上，并壓緊開口楔環，使其楔入B支撐盤與筒體滑動部位之間，使得B支撐盤與筒體滑動部位緊密聯接；橡膠保護帽既能起到支撐作用，又能起到減振和保護工件表面的作用。

圖2 夾具

4 具體實施方式

1）首先對工件毛坯進行粗加工，保證形狀與零件相似，各尺寸留3mm余量，加工完成后壁厚8mm。

2）進行一次時效熱處理，充分釋放工件內應力。

3）半精加工兩端法蘭以及內形基本成形且留有1mm余量，端面孔系加工完成。

4）再進行一次時效熱處理，充分釋放工件內應力。

5）精加工工件的內形和兩端至工藝尺寸要求，加工完成時工件壁厚為5mm。

6）采用設計好的工裝夾具進行零件的全部外形加工，先將零件裝在夾具上，如圖3所示，將A支撐盤套入筒體，使其內止口與筒體夾緊端頭配合并用M12螺釘固定（夾具左端壓板和工件的聯接見圖4），可調支撐柱上裝鎖緊螺母并置于筒體中部柱面上的螺紋孔內，初始狀態先將可調支撐柱全部退回筒體內腔，確保工件能順利裝入，將橡膠保護帽套入可調支撐柱的另一端，工件從筒體右端裝入，使其小端法蘭面止口與A支撐盤上的止口配合，并通過M6螺釘3聯接；從筒體右端裝入B支撐盤，使B支撐盤上的止口與零件大端法蘭止口配合，通過M6螺釘10聯接，裝入開口楔環，使開口楔環的外錐面與B支撐盤的內錐孔接觸，裝入壓緊螺母壓緊開口楔環，使得開口楔環楔入B支撐盤與筒體之間，確保B支撐盤與筒體滑動部位緊密聯接（夾具右端壓板和工件的聯接見圖5），從筒體內腔調節可調支撐柱（圓柱扳手插入可調支撐柱的孔里按順時針方向擰），從里到外分層逐個將可調支撐柱調節至橡膠保護帽頂住工件內壁，緊固力應均勻、可靠，既要保證橡膠保護帽對工件內壁有支撐力，又不能把工件頂變形（如果掌握不好力度，可在調節支撐柱時壓表觀察），可調支撐柱調整好后用鎖緊螺母鎖死。把裝好工件的夾具左端裝在機床卡盤上，機床尾座頂盤頂住夾具右端，加工零件至最終尺寸。

圖3 零件裝在夾具上

圖4 夾具左端壓板和工件的聯接

圖5 夾具右端壓板和工件的聯接

5 結束語

本文結合具體加工實例介紹了一種薄壁鋁合金殼體加工方案，重點介紹了一種能夠同時實現裝夾、定位以及支撐作用的工裝夾具設計方法，解決了零件加工過程中的振顫、變形問題。此加工方案保證了加工零件的尺寸、形位以及表面等各項工藝要求，具有很強的操作性和指導性，同時為類似零件的加工提供了解決方案和加工經驗。