高精密泵殼芯體加工工藝

白雪坤

成都劍澗優能航空設備制造有限公司 四川成都 610213

1 序言

圓形鋁合金結構件常見于閥體類、泵體類和芯體類等零件，應用于軍工、航天及高精密模具等領域。圓形鋁合金結構件的最顯著特點就是精度高且形狀復雜，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 泵殼芯體的結構特點及關鍵技術難點

2.1 結構特點

圖1所示圓形鋁合金結構件為動力裝置中的泵殼芯體，結構如圖2所示。該泵殼芯體為復雜的鏤空結構件，且屬于薄壁件。從輸出精度上看，泵殼芯體是關鍵精密輸出結構件；從裝配結構上看，泵殼芯體是整套結構的裝配載體。

圖1 動力裝置中的泵殼芯體

圖2 泵殼芯體結構

2.2 關鍵技術難點

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

圖3 泵殼芯體關鍵尺寸精度

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，使產品做初次應力釋放。

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

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所示工件綠色區域進行二次開粗，單邊留量0.5mm。

2）將圖5所示工件紅色區域凹槽加工到位（即最終產品此處區域加工到位，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轉換（見圖6），將8個ST5（φ5.2mm）底孔轉換為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，尺寸精度轉換如圖6b、圖6c所示。

圖6 孔與孔之間的基準轉換

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）根據產品結構、尺寸精度分析得出圖5紅色區域為減重區域，因此加工到位，同時也滿足產品內應力的二次釋放。

2）在本工序孔與孔之間完成尺寸轉換后，與大平面共同形成“一面兩銷”的經典裝夾定位模式，為后序工裝設計做準備[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所示工件綠色區域進行二次開粗，單邊留量0.5mm。

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

工藝分析如下。

1）根據產品結構、尺寸精度分析得出圖7所示紅色區域為減重區域，因此加工到位，同時也滿足產品內應力的二次釋放。

2）工件屬于鏤空結構的薄壁件，應優先考慮讓工件垂直方向受力，而不是徑向受力，設計思路為：①定位面設計思路。結合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉換后，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裝夾方式設計思路。結合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉換后，設計4顆內六角圓柱頭螺釘（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應力。②穩定工件基體組織。

5 關鍵部位精加工方案

5.1 車床工序

實施方案：數控車床加工，設計專用工裝裝夾。

1）圖9所示為自由狀態下基準平面見光。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 自由狀態下基準平面見光

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），精車工件所有內孔區域與外圓紅色區域。

圖10 精車工件正面

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

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所示自由狀態下基準平面見光，其實就是在修正熱處理后的基準平面，屬于本工序的關鍵點，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平面工序，工件加工完成后，尺寸公差、幾何公差出現超差現象，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，反復試驗后，得出一個結論，即在自由狀態下加工基準平面。

工件的自由狀態，就是有剛性條件支撐下的工件狀態，通俗來講，就是工件當前狀態下本體強度好。因此，精度高的結構件，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造剛性條件，在剛性條件支撐下，再來修正基準平面，而且修正量一定要少，基準面見光即可，這就是自由狀態下修正基準平面的含義，這一點很重要。

如圖9所示，工件內孔還沒有精車之前，工件是存在一定剛性的，在此基礎上加工基準面，這樣的面才是平的，所以說這一工序十分關鍵。

2）根據產品結構特征，結合各工序基準統一原則，尋求設計工裝的共性特點，最終完成精車工序專用工裝的設計。該設計方案與五軸正面銑削工裝設計方案完全相同，既簡化了各工序工裝繁多的現象，又能使工裝之間存在可替代性。

3）根據產品燕尾槽結構，自制燕尾槽車刀，既保證了產品精度，也節省了刀具成本。

4）車削工件反面的專用心軸工裝（見圖11）的設計思路為：①遵循孔與軸的基準轉換原理，心軸與工件內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有紅色標記的各圓孔、螺紋孔及內腔4處鍵槽至尺寸要求。

圖15 產品正面精加工

2）設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中紅色標記的8處螺紋孔、掛鉤區域及掛鉤內壁，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）裝夾設計思路：①定位面設計思路。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裝夾方式設計思路。根據工件螺釘位置，設計圓形花形壓板（見圖17a藍色零部件），為防止精銑側面掛鉤振刀，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，掛鉤區域發生振刀現象，表面粗糙度不達標。

3）最后一個工序銑床工序關鍵部位精加工，加工內容較少，不會對整體精度產生影響，更不會產生內應力，工件加工完成后，經檢驗滿足圖樣要求。

6 結束語

圓形鋁合金結構件泵殼芯體的整個工藝開發過程的技術關鍵點，主要體現在以下3個方面：①從圓形鋁合金結構件的結構特點出發，著重考慮產品在裝夾過程中的受力方向。②讓工件在自然狀態下裝夾，消除工件基準平面的變形。③在產品加工過程中多次釋放內應力。以上3個方面相輔相成，使高精度產品得以完成。

專家點評

文章針對泵殼芯體的結構特點及關鍵技術難點，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部應力，有效控制了產品變形。

文章內容豐富，結構完整，思路清晰，圖文并茂。亮點是泵殼芯體關鍵部位的精加工，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都闡述得非常詳細。通過專用工裝設計、在自由狀態下加工基準平面的方法，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驗。