異形薄壁件精密蝸殼加工工藝

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

鋁合金異形結構件常用于軍工、航天和高精密模具等領域，其最顯著的特點是精度高且形狀復雜，在材料的選擇上以2A12-T4鋁合金居多。2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，由于其最大的特點是易變形[1]，因此其異形結構件的加工難度大。下面以動力裝置中的鋁合金異形結構件蝸殼為例，探討其加工方法。

2 結構特點及關鍵技術難點

2.1 結構特點

圖1所示蝸殼為復雜的異形結構件，且屬于鏤空薄壁件，蝸殼結構如圖2所示。從產品精度上看，蝸殼為關鍵精密輸出結構件；從裝配結構上看，蝸殼為整套結構的裝配載體。

圖1 蝸殼

圖2 蝸殼結構

2.2 關鍵技術難點

（1）依據設計圖樣分析 蝸殼關鍵尺寸精度如圖3所示，有多處幾何公差要求。

（2）從材料方面分析 2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，其最大的特點是易變形。

（3）從產品結構方面分析 局部實體連接部分壁厚僅1～1.5mm，符合薄壁件結構特點。

（4）從加工工藝方面分析 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。

3 假體毛坯制造及裝夾方案

3.1 異形件假體毛坯的制造

異形件假體毛坯方案模型如圖4所示，其中綠色為工件，黃色圓形為假體毛坯。假體毛坯設計思路如下。

圖4 異形件假體毛坯方案模型

（1）從工件的外形形狀分析 設計假體毛坯時，一般優先考慮方形毛坯和圓形毛坯。因為方形毛坯方便虎鉗裝夾，圓形毛坯方便自定心卡盤裝夾，而蝸殼的外形形狀更貼近于圓形，所以初步確定為圓形假體毛坯。

（2）從加工手段上分析 根據工件的結構組成，需要五軸加工中心配合完成加工，在五軸多工位旋轉過程中，圓形假體毛坯更適合旋轉軸的擺角方式。

（3）從加工刀具的懸伸長度分析 以工件中心為出發點，相對于方形毛坯刀具懸伸的不均勻性，圓形毛坯為等半徑加工，刀具的懸伸長度不會出現或長或短現象。

綜上所述，從加工工件部位最大化的原則出發，重點考慮工件加工過程中的剛性，最終確定假體毛坯方案，用圓形毛坯增大底部定位基準面，高度與底部小凸臺上平面平齊。

3.2 裝夾方案的制定

在假體毛坯的合適位置上，設計2處φ10mm紅色銷孔（見圖5）、4處M5紫色螺紋孔和5處φ4.2mm藍色圓形通孔。裝夾方案制定思路如下。

圖5 基準孔和鎖緊孔

1）增加2處紅色φ10mm銷孔的目的，是與黃色假體大平面共同形成“一面兩銷”的經典裝夾定位模式，為后序工裝設計做準備，同時要求各工序工裝設計應遵循加工基準統一原則[2]。

2）增加4處M5紫色螺紋孔的目的，是可以通過螺釘反向拉緊的方式固定工件本體，為后序工裝設計做準備。

3）增加5處φ4.2mm藍色圓形通孔的目的，是可以通過螺釘正向鎖緊的方式固定工件本體，為后序工裝設計做準備。

綜上所述，裝夾方案已經確定，工藝方案將以此展開。

4 粗加工方案

4.1 反面第一次粗加工

反面第一次粗加工如圖6所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗裝夾。

圖6 反面第一次粗加工

1）虎鉗裝夾毛坯底部平行夾位，對原始圓形毛坯進行大余量開粗。

2）頂端大平面留0.5mm余量，加工各處銷孔、螺紋孔和圓形通孔至達到零件尺寸要求。

3）工件綠色區域單邊留0.3mm余量。

工藝分析：①去除工件反面大余量毛坯，使產品反面做初次應力釋放。②由于圖6a綠色區域因為有假體毛坯的輔助，具有一定的強度，所以單邊可以少留一點余量，單邊留0.3mm余量。

4.2 正面第一次粗加工

正面第一次粗加工采用三軸加工中心加工。正面專用工裝設計如圖7所示。正面第一次粗加工如圖8所示，粗加工所有綠色區域，單邊留0.5mm余量。

圖7 正面專用工裝設計

圖8 正面第一次粗加工

工藝分析：①去除正面大余量毛坯，使產品正面做初次應力釋放。②用三軸加工中心去除毛坯余量，目的在于為后序五軸加工減輕質量和節省五軸加工時間。

正面專用工裝設計思路如下。

1）定位面設計。遵循一面兩銷的裝夾原則，如圖7b所示，綠色面為定位面，兩處紅色銷釘用于限位。

2）工裝排屑設計。如圖7a所示，由于工件內部凹腔結構特殊，在使用T形刀加工內部凹腔過程中，必然會產生大量切屑，隨著切屑的增多，在切屑沒有順利排出的情況下，很有可能悶斷T形刀，因此，在工裝上設計兩處紫色貫穿孔（見圖7b），方便切屑的排出與下沉。

3）裝夾方式設計。根據工件假體上4處M5螺紋孔位置，對應設計工裝鎖緊位置，用4顆M5內六角圓柱頭螺釘反向拉緊工件，從而固定工件。圖8a中4個藍色零部件為M5內六角圓柱頭螺釘。

4.3 正面第二次粗加工

正面第二次粗加工如圖9所示，采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾。如圖9a、圖9b所示，對工件所有紅色區域進行二次加工，單邊留0.3mm余量；將工件所有綠色區域加工到位（即最終產品此處區域加工到位，不留余量）[3]。加工仿真效果如圖9c、圖9d所示。

圖9 正面第二次粗加工

工藝分析：由于根據產品結構和尺寸精度分析，得出圖9a、圖9b中綠色區域為減重區域，因此加工到位，同時也使產品正面內應力得到二次釋放。

5 時效處理

為了消除工件加工過程中的內應力，穩定工件基體組織，對工件進行時效處理。入爐溫度為室溫，升溫速度為127 ℃/h，保溫溫度為（185±10）℃，保溫時間為4～5h，降溫速度為43℃/h，冷卻方式為隨爐冷卻，出爐溫度為室溫。

6 關鍵部位精加工方案

6.1 基準面的修正

（1）反面基準面修正（見圖10）設計軟爪鉗口專用工裝如圖10b所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗配合專用工裝裝夾，輕夾工件最大外圓，加工紅色大面見光即可。在自由狀態下，基準平面見光。

圖10 反面基準面修正

工藝分析：本工序其實就是修正熱處理后的基準平面。工件的自由狀態，是有剛性條件支撐下的狀態，通俗來講，就是工件在當前狀態下本體強度好。精度高的結構件，一定要在精加工前使工件具有剛性。要為精加工前的工件制造剛性條件，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，基準平面見光即可。這就是在自由狀態下，修正基準平面的含義。由于工件在去除圓形假體毛坯之前，是存在一定剛性的，在此基礎上修正基準面，這樣的面才是平的，所以說這一工序十分關鍵。

軟爪鉗口專用工裝（見圖10b）的設計思路如下。

1）設計的出發點。既然是自由狀態下修正基準平面，那么工件只允許徑向受力，不允許垂直方向受力，因為垂直方向受力會使工件出現彈性變形。

2）定位面的設計。如圖10b所示，3處紅色小面為工件定位面，模擬點接觸方式支撐工件，有效避免面與面接觸的不確定因素。因為是基準面的修正，工件底面重點在于支撐，而不是重在貼合，特別是熱處理后的工件定位面，所以，此處點接觸定位面的設計方式為基準面修復的又一關鍵點。

3）裝夾方式設計。如圖10c所示，模仿車床裝夾方式，為工件假體外圓設計軟爪工裝，嵌入式包夾工件外圓。

（2）正面基準面修正及各孔精加工（見圖11）采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾，加工工件正面標記的紅色大面和兩處紫色面，見光即可，保證面與面之間的距離公差±0.02mm。精加工工件正面紅色標記的各圓孔、螺紋孔及側面貫穿孔至成品尺寸。

圖11 正面基準面修正及各孔精加工

工藝分析如下。

1）正面基準面的修正。①因為工件反面基準面在自然狀態下修正后，消除了面的彈性變形，所以在修正正面基準面時，是允許垂直方向受力的，如圖11所示，反面基準面貼緊工裝，反向螺釘拉緊工件即可。②修正正面基準面的作用是為后序工裝的設計做準備，保證定位面的一致性。如圖11所示，確定選取其中紅色大面與最上面的紫色面為工裝定位面。③為什么要修正中間的紫色面。假設后工序工件的圓形假體毛坯去除后，出現了反面基準面的二次變形，且造成后工序無法連接，這時就需要兩處紫色面作為定位面，結合工裝對反面基準面做二次修正，意義在于為工藝方案本身做預案，應對產品變形的不確定性。這一點也很重要。

2）反面基準面修正后，且熱處理后的工件主體狀態良好，可以加工工件各處圓孔、螺紋孔至成品尺寸，而且孔的加工不會影響正面基準面的修復。

6.2 反面精加工

反面精加工專用工裝設計如圖12所示。三軸加工中心加工，專用工裝裝夾。工件反面精加工如圖13所示，先用6顆M5內六角圓柱頭螺釘裝夾，精加工工件紅色區域，用挖腔的方式加工紅色區域內的平面、臺階面、凹腔及各圓孔至成品尺寸；然后程序暫停，如圖13b所示，內腔紅色區域內增加圓形壓板和內六角圓柱頭螺釘裝夾，加工綠色區域至成品尺寸；最后用落料（切斷銑）的方式加工工件最大外形側面（見圖13c），使用φ2mm立銑刀加工外形至成品尺寸，去除假體毛坯。

圖12 反面精加工專用工裝設計

圖13 反面精加工

工藝分析如下。

1）反面精加工專用工裝設計思路。①定位面設計思路。依然遵循工序基準統一的裝夾原則，如圖12a所示，兩處綠色面為定位面，兩個紅色銷釘用于限位。②裝夾方式設計思路。根據工件圓形假體毛坯的圓孔位置，設計6顆內六角圓柱頭螺釘（見圖13a中6個藍色零部件），鎖緊工件外部。為防止工件外形落料鋸斷時發生移動，根據產品本身結構，尋找合適孔位，增加4顆內六角圓柱頭螺釘和1處圓形壓板（見圖13c工件內部5個藍色零部件），鎖緊工件內部。

2）從產品精加工余量分布情況看，如圖13b所示，工件的紅色區域單邊余量只有0.3mm，綠色區域也只是做局部清根處理，由于加工內容較少，并未發生大余量切削，不會產生過多內應力，對工件整體精度也不會造成影響，因此本工序可以全部加工到位。

3）重點分析落料加工及加工效果。①用類似銑槽的方法使工件從毛坯上脫落下來，一般底面留0.1～0.15mm余量。落料加工的意義是避免局部大余量銑削加工造成工件因為內應力集中而導致最終變形。落料加工常用于外形、內腔及內孔有較大的材料去除的時候。②如圖13c所示，用落料的方法去除工件的假體毛坯，加工內容較少，不會產生過多熱應力。③工件去除假體毛坯后，測量反面基準平面變形量為0.016mm，而圖樣要求的平面度為0.03mm，符合圖樣要求，可進行后工序加工。

6.3 正面精加工

產品正面精加工如圖14所示。五軸加工中心加工，設計正面精加工專用工裝裝夾。如圖14c所示，精加工工件正面上有紅色標記的各平面、外圓、臺階面及4處小圓孔至成品尺寸。

圖14 正面精加工

工藝分析如下。

1）正面精加工專用工裝設計思路。①定位面設計思路。依然遵循一面兩銷裝夾原則，如圖14a所示，綠色面為定位面，兩處紅色銷釘用于限位。②裝夾方式設計思路。根據工件底部有多處凸耳的結構特點，如圖14b所示，采用多壓板裝夾工件底部凸耳的方式。

2）如圖14c所示，工件上各處紅色區域單邊余量只有0.3mm，加工內容較少，不會產生過多內應力，對工件整體精度也不會造成影響，本工序可以全部加工到位。

7 結束語

異形件精密蝸殼按照上述工藝方案加工完成后，嚴格按照圖樣要求檢測，檢測結果符合圖樣要求。

鋁合金異形結構件蝸殼的整個工藝開發過程，技術關鍵點主要體現在4個方面：①從鋁合金異形結構件的結構特點出發，建立合理且規則的假體毛坯，利用假體毛坯轉化成工件的定位裝夾基準，方便后序的裝夾。②著重考慮產品在裝夾過程中的受力方向，遵循基準統一的原則設計工裝。③讓工件在自由狀態下裝夾，消除工件基準平面的變形。④在產品加工過程中，多次釋放內應力。4個方面相輔相成，使高精密異形件產品得以完成。

專家點評

本例中蝸殼零件壁薄、鏤空且形狀復雜，作者針對零件的結構特點及關鍵技術難點進行工藝分析并制定完整的工藝方案，從4個方面采取工藝改進措施，建立假體毛坯并遵循基準統一的原則設計工裝，在自由狀態下裝夾工件，并在加工過程中多次釋放內部應力，在保證產品精度的同時有效控制了變形。

文章內容嚴謹，論據充分，建模清晰，圖文并茂，亮點是關鍵部位精加工方案，在工件自由狀態下修正基準平面，消除變形誤差。結尾部分也總結概括得很好，融會貫通，簡明扼要。