異形薄壁件精密蝸殼加工工藝
隨著科技的不斷進步，異形薄壁件在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如航空航天、汽車、電子等。然而，由于其形狀復(fù)雜、壁薄易變形等特點，異形薄壁件的加工成為了一個具有挑戰(zhàn)性的問題。特別是在精密蝸殼加工領(lǐng)域，對加工工藝的要求更為嚴格。
一、異形薄壁件精密蝸殼加工的難點
異形薄壁件精密蝸殼加工的難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
形狀復(fù)雜：異形薄壁件通常具有復(fù)雜的幾何形狀，這給加工設(shè)備的設(shè)計和制造帶來了很大的挑戰(zhàn)。
壁薄易變形：由于異形薄壁件的壁很薄，加工過程中很容易發(fā)生變形，影響加工精度和質(zhì)量。
材料硬度高：許多異形薄壁件采用高硬度材料制造，這使得加工難度進一步增加。
精度要求高：精密蝸殼在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動機、燃氣輪機等，因此對加工精度要求非常高。
二、異形薄壁件精密蝸殼加工工藝的探索與實踐
為了解決異形薄壁件精密蝸殼加工的難點，許多企業(yè)和研究機構(gòu)進行了大量的探索與實踐。以下是一些主要的加工工藝方法：
數(shù)控機床加工：利用數(shù)控機床進行異形薄壁件精密蝸殼的加工是當(dāng)前主流的方法。通過精確控制機床的切削參數(shù)和刀具路徑，可以實現(xiàn)高精度的加工。
激光切割：激光切割是一種非接觸式的加工方法，適用于各種材料和形狀的異形薄壁件。激光功率密度高、速度快、精度高，可以大大提高加工效率和質(zhì)量。
水切割：水切割利用高壓水流對材料進行切割，具有切割精度高、表面質(zhì)量好、無熱影響等優(yōu)點。特別適用于高硬度材料的異形薄壁件精密蝸殼加工。
超聲波振動輔助加工：通過在切削過程中引入超聲波振動，可以有效地減小切削力，降低工件變形和裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險。同時，超聲波振動還可以提高切削效率和質(zhì)量。
復(fù)合加工技術(shù)：將多種加工方法結(jié)合起來，形成復(fù)合加工技術(shù)，可以充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，提高異形薄壁件精密蝸殼的加工效率和質(zhì)量。例如，將數(shù)控機床與激光切割技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)高效、高精度的異形薄壁件精密蝸殼加工。
三、未來展望
隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，未來異形薄壁件精密蝸殼加工工藝將會朝著更加高效、高精度、智能化的方向發(fā)展。以下是一些可能的未來發(fā)展趨勢：
智能化加工：通過引入人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)異形薄壁件精密蝸殼加工過程的智能化控制和管理。通過實時監(jiān)測和調(diào)整加工參數(shù)，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
高速切削技術(shù)：采用更高速度的切削技術(shù)，可以進一步提高異形薄壁件精密蝸殼的加工效率和質(zhì)量。同時，高速切削還可以減小切削力和切削熱的影響，提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。
多軸聯(lián)動技術(shù)：通過引入多軸聯(lián)動技術(shù)，可以實現(xiàn)異形薄壁件精密蝸殼的多軸協(xié)同加工。這將大大提高加工效率和精度，降低工件的變形風(fēng)險。
綠色制造技術(shù)：隨著環(huán)保意識的不斷提高，綠色制造技術(shù)將成為未來異形薄壁件精密蝸殼加工的重要發(fā)展方向。通過采用環(huán)保材料、優(yōu)化工藝流程和降低能耗等方式，實現(xiàn)異形薄壁件精密蝸殼的綠色制造。
以動力裝置中的鋁合金異形結(jié)構(gòu)件蝸殼為例，針對薄壁、鏤空的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)難點進行工藝分析并制定完整的工藝方案，通過粗、精加工和時效處理，在產(chǎn)品加工過程中多次釋放內(nèi)應(yīng)力，在保證產(chǎn)品精度的同時，有效控制了產(chǎn)品變形。
1序言
鋁合金異形結(jié)構(gòu)件常用于軍工、航天和高精密加工http://sghtsm.com/模具等領(lǐng)域，其最顯著的特點是精度高且形狀復(fù)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(jié)構(gòu)件的加工難度大。下面以動力裝置中的鋁合金異形結(jié)構(gòu)件蝸殼為例，探討其加工方法。
2結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)難點
2.1結(jié)構(gòu)特點
案例1所示蝸殼為復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)件，且屬于鏤空薄壁件，蝸殼結(jié)構(gòu)如案例2所示。從產(chǎn)品精度上看，蝸殼為關(guān)鍵精密輸出結(jié)構(gòu)件；從裝配結(jié)構(gòu)上看，蝸殼為整套結(jié)構(gòu)的裝配載體。
a）正視
b）側(cè)視
案例1蝸殼
a）正面b）反面
c）側(cè)視d）仰視
e）俯視
案例2蝸殼結(jié)構(gòu)
2.2關(guān)鍵技術(shù)難點
?。?）依據(jù)設(shè)計案例樣分析蝸殼關(guān)鍵尺寸精度如案例3所示，有多處幾何公差要求。
a）主視案例
b）俯視案例
c）剖視案例
案例3蝸殼關(guān)鍵尺寸精度
（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。
?。?）從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面分析局部實體連接部分壁厚僅1～1.5mm，符合薄壁件結(jié)構(gòu)特點。
?。?）從加工工藝方面分析在保證產(chǎn)品精度的同時，如何控制產(chǎn)品的變形顯得尤為重要。
3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案例4所示，其中綠色為工件，黃色圓形為假體毛坯。假體毛坯設(shè)計思路如下。
a）正視案例b）側(cè)視案例c）俯視案例
案例4異形件假體毛坯方案模型
?。?）從工件的外形形狀分析設(shè)計假體毛坯時，一般優(yōu)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。
?。?）從加工手段上分析根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)組成，需要五軸加工中心配合完成加工，在五軸多工位旋轉(zhuǎn)過程中，圓形假體毛坯更適合旋轉(zhuǎn)軸的擺角方式。
?。?）從加工刀具的懸伸長度分析以工件中心為出發(fā)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(xiàn)或長或短現(xiàn)象。
綜上所述，從加工工件部位最大化的原則出發(fā)，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(shè)計2處φ10mm紅色銷孔（見案例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。
案例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(jīng)典裝夾定位模式，為后序工裝設(shè)計做準備，同時要求各工序工裝設(shè)計應(yīng)遵循加工基準統(tǒng)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(shè)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(shè)計做準備。
綜上所述，裝夾方案已經(jīng)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案例6所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗裝夾。
a）反面粗加工區(qū)域b）反面開粗后的仿真效果
案例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(qū)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(chǎn)品反面做初次應(yīng)力釋放。②由于案例6a綠色區(qū)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(shè)計如案例7所示。正面第一次粗加工如案例8所示，粗加工所有綠色區(qū)域，單邊留0.5mm余量。
a）工件內(nèi)部剖視案例b）正面工裝三維案例c）正面工裝實物
案例7正面專用工裝設(shè)計
a）正面粗加工區(qū)域b）正面開粗后的仿真效果
案例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(chǎn)品正面做初次應(yīng)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(zhì)量和節(jié)省五軸加工時間。
正面專用工裝設(shè)計思路如下。
1）定位面設(shè)計。遵循一面兩銷的裝夾原則，如案例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(shè)計。如案例7a所示，由于工件內(nèi)部凹腔結(jié)構(gòu)特殊，在使用T形刀加工內(nèi)部凹腔過程中，必然會產(chǎn)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(shè)計兩處紫色貫穿孔（見案例7b），方便切屑的排出與下沉。
3）裝夾方式設(shè)計。根據(jù)工件假體上4處M5螺紋孔位置，對應(yīng)設(shè)計工裝鎖緊位置，用4顆M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘反向拉緊工件，從而固定工件。案例8a中4個藍色零部件為M5內(nèi)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案例9所示，采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾。如案例9a、案例9b所示，對工件所有紅色區(qū)域進行二次加工，單邊留0.3mm余量；將工件所有綠色區(qū)域加工到位（即最終產(chǎn)品此處區(qū)域加工到位，不留余量）[3]。加工仿真效果如案例9c、案例9d所示。
a）正面加工區(qū)域b）旋轉(zhuǎn)180°視角的加工區(qū)域
c）加工仿真效果d）旋轉(zhuǎn)180°視角的仿真效果
案例9正面第二次粗加工
工藝分析：由于根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸精度分析，得出案例9a、案例9b中綠色區(qū)域為減重區(qū)域，因此加工到位，同時也使產(chǎn)品正面內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)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(guān)鍵部位精加工方案
6.1基準面的修正
?。?）反面基準面修正（見案例10）設(shè)計軟爪鉗口專用工裝如案例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(tài)下，基準平面見光。
a）加工區(qū)域b）軟爪鉗口工裝c）裝夾示意
案例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(tài)，是有剛性條件支撐下的狀態(tài)，通俗來講，就是工件在當(dāng)前狀態(tài)下本體強度好。精度高的結(jié)構(gòu)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(tài)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(chǔ)上修正基準面，這樣的面才是平的，所以說這一工序十分關(guān)鍵。
軟爪鉗口專用工裝（見案例10b）的設(shè)計思路如下。
1）設(shè)計的出發(fā)點。既然是自由狀態(tài)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(xiàn)彈性變形。
2）定位面的設(shè)計。如案例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(shè)計方式為基準面修復(fù)的又一關(guān)鍵點。
3）裝夾方式設(shè)計。如案例10c所示，模仿車床裝夾方式，為工件假體外圓設(shè)計軟爪工裝，嵌入式包夾工件外圓。
?。?）正面基準面修正及各孔精加工（見案例11）采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾，加工工件正面標(biāo)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(biāo)記的各圓孔、螺紋孔及側(cè)面貫穿孔至成品尺寸。
案例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(tài)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，如案例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(shè)計做準備，保證定位面的一致性。如案例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(shè)后工序工件的圓形假體毛坯去除后，出現(xiàn)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(jié)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(yù)案，應(yīng)對產(chǎn)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(tài)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(fù)。
6.2反面精加工
反面精加工專用工裝設(shè)計如案例12所示。三軸加工中心加工，專用工裝裝夾。工件反面精加工如案例13所示，先用6顆M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘裝夾，精加工工件紅色區(qū)域，用挖腔的方式加工紅色區(qū)域內(nèi)的平面、臺階面、凹腔及各圓孔至成品尺寸；然后程序暫停，如案例13b所示，內(nèi)腔紅色區(qū)域內(nèi)增加圓形壓板和內(nèi)六角圓柱頭螺釘裝夾，加工綠色區(qū)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(cè)面（見案例13c），使用φ2mm立銑刀加工外形至成品尺寸，去除假體毛坯。
a）工裝定位面及限位銷b）工裝實體
c）裝夾示意
案例12反面精加工專用工裝設(shè)計
a）精加工紅色平面及凹腔b）精加工綠色凹槽
c）精加工工件外形
案例13反面精加工
工藝分析如下。
1）反面精加工專用工裝設(shè)計思路。①定位面設(shè)計思路。依然遵循工序基準統(tǒng)一的裝夾原則，如案例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(shè)計思路。根據(jù)工件圓形假體毛坯的圓孔位置，設(shè)計6顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘（見案例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(fā)生移動，根據(jù)產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)，尋找合適孔位，增加4顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘和1處圓形壓板（見案例13c工件內(nèi)部5個藍色零部件），鎖緊工件內(nèi)部。
2）從產(chǎn)品精加工余量分布情況看，如案例13b所示，工件的紅色區(qū)域單邊余量只有0.3mm，綠色區(qū)域也只是做局部清根處理，由于加工內(nèi)容較少，并未發(fā)生大余量切削，不會產(chǎn)生過多內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力集中而導(dǎo)致最終變形。落料加工常用于外形、內(nèi)腔及內(nèi)孔有較大的材料去除的時候。②如案例13c所示，用落料的方法去除工件的假體毛坯，加工內(nèi)容較少，不會產(chǎn)生過多熱應(yīng)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，而案例樣要求的平面度為0.03mm，符合案例樣要求，可進行后工序加工。
6.3正面精加工
產(chǎn)品正面精加工如案例14所示。五軸加工中心加工，設(shè)計正面精加工專用工裝裝夾。如案例14c所示，精加工工件正面上有紅色標(biāo)記的各平面、外圓、臺階面及4處小圓孔至成品尺寸。
a）工裝定位面及限位銷b）裝夾示意
c）正面精加工區(qū)域
案例14正面精加工
工藝分析如下。
1）正面精加工專用工裝設(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，如案例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(shè)計思路。根據(jù)工件底部有多處凸耳的結(jié)構(gòu)特點，如案例14b所示，采用多壓板裝夾工件底部凸耳的方式。
2）如案例14c所示，工件上各處紅色區(qū)域單邊余量只有0.3mm，加工內(nèi)容較少，不會產(chǎn)生過多內(nèi)應(yīng)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(jié)束語
異形件精密蝸殼按照上述工藝方案加工完成后，嚴格按照案例樣要求檢測，檢測結(jié)果符合案例樣要求。
鋁合金異形結(jié)構(gòu)件蝸殼的整個工藝開發(fā)過程，技術(shù)關(guān)鍵點主要體現(xiàn)在4個方面：①從鋁合金異形結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，建立合理且規(guī)則的假體毛坯，利用假體毛坯轉(zhuǎn)化成工件的定位裝夾基準，方便后序的裝夾。②著重考慮產(chǎn)品在裝夾過程中的受力方向，遵循基準統(tǒng)一的原則設(shè)計工裝。③讓工件在自由狀態(tài)下裝夾，消除工件基準平面的變形。④在產(chǎn)品加工過程中，多次釋放內(nèi)應(yīng)力。4個方面相輔相成，使高精密異形件產(chǎn)品得以完成。
專家點評
本例中蝸殼零件壁薄、鏤空且形狀復(fù)雜，作者針對零件的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)一的原則設(shè)計工裝，在自由狀態(tài)下裝夾工件，并在加工過程中多次釋放內(nèi)部應(yīng)力，在保證產(chǎn)品精度的同時有效控制了變形。
文章內(nèi)容嚴謹，論據(jù)充分，建模清晰，案例文并茂，亮點是關(guān)鍵部位精加工方案，在工件自由狀態(tài)下修正基準平面，消除變形誤差。結(jié)尾部分也總結(jié)概括得很好，融會貫通，簡明扼要。
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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2023年第12期第22~27頁，作者：成都劍澗優(yōu)能航空設(shè)備制造有限公司白雪坤，原標(biāo)題：《異形薄壁件精密蝸殼加工工藝》。
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