藝匠精密：解決薄壁鋁合金殼體零件加工的振顫、變形問題
編者按
結(jié)合具體加工實(shí)例介紹了一種薄壁鋁合金殼體加工方案，通過合理的工藝安排，特殊工裝夾具的設(shè)計(jì)，完美解決了零件加工過程中的振顫、變形問題，具有很強(qiáng)的操作性和指導(dǎo)性，同時(shí)為類似零件的加工提供了借鑒依據(jù)。
1 序言
薄壁鋁合金殼體零件在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但此類零件結(jié)構(gòu)形狀特殊，在切削加工過程中由于其剛性差、強(qiáng)度弱，故極易產(chǎn)生振動(dòng)和變形[1]，很難保證零件的加工質(zhì)量，因此薄壁鋁合金殼體零件的加工一直是機(jī)械加工領(lǐng)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(shè)計(jì)及應(yīng)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(jié)構(gòu)分析
腰鼓形薄壁鋁合金殼體如圖1所示，材質(zhì)為鋁合金2A12，毛坯為φ500mm×520mm的圓柱實(shí)心體，固溶T4狀態(tài)，零件結(jié)構(gòu)中間為腰鼓形曲面，兩端端面法蘭結(jié)構(gòu)，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(jí)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(diǎn)：①毛坯去除量大，容易使工件產(chǎn)生應(yīng)力變形。②工件壁厚僅有2mm，整體結(jié)構(gòu)剛性差、強(qiáng)度弱，切削過程中極易產(chǎn)生振顫及變形問題。③工件屬于異形結(jié)構(gòu)，兩端法蘭厚度只有18mm，且中間部位強(qiáng)度差，在工件的軸向或者徑向上施加夾緊力都會(huì)造成零件變形，因此如何裝夾是問題。[2]針對(duì)上述分析，加工該零件的重點(diǎn)是在工藝方案上必須充分考慮應(yīng)力釋放、裝夾方式上避免裝夾變形以及加強(qiáng)工件的剛性等。
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a）三維圖
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b）二維圖
圖1 腰鼓形薄壁鋁合金殼體
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[3]具體如下?！?br />1）加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段。粗加工階段在保證殼體有足夠強(qiáng)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(nèi)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(guān)鍵部位，第一步加工兩端法蘭以及內(nèi)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(yīng)力時(shí)效處理，去除零件加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小應(yīng)力變形，以保證尺寸及幾何精度。
3.2夾具設(shè)計(jì)
夾具設(shè)計(jì)是該零件加工的重點(diǎn)，為保證零件各項(xiàng)尺寸及幾何要求，加強(qiáng)零件剛性，該夾具必須同時(shí)具備裝夾、定位以及支撐作用，設(shè)計(jì)夾具如圖2所示，該夾具包括筒體（內(nèi)徑為210mm）、A支撐盤、B支撐盤、可調(diào)支撐柱、橡膠保護(hù)帽、開口楔環(huán)、壓緊螺母等部件[4,5]。筒體的一端設(shè)置夾緊端頭，中間柱面陣列有交叉設(shè)置的螺紋孔，另一端設(shè)置有滑動(dòng)部位及螺紋；A支撐盤內(nèi)止口與筒體夾緊端頭小間隙配合并用螺釘固定；可調(diào)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(nèi)，將橡膠保護(hù)帽套入可調(diào)支撐柱的另一端；B支撐盤的內(nèi)錐孔與開口楔環(huán)的外錐面配合并同時(shí)套入筒體的滑動(dòng)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(huán)使其楔入B支撐盤與筒體滑動(dòng)部位之間，使得B支撐盤與筒體滑動(dòng)部位緊密聯(lián)接；橡膠保護(hù)帽既能起到支撐作用，又能起到減振和保護(hù)工件表面的作用。
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圖2 夾具
1、3—M12螺釘 2—A支撐盤 4—筒體 5—橡膠保護(hù)帽 6—可調(diào)支撐柱
7—B支撐盤 8—M6螺釘 9－開口楔環(huán) 10－壓緊螺母
4 具體實(shí)施方式
1）首先對(duì)工件毛坯進(jìn)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(jìn)行一次時(shí)效熱處理，充分釋放工件內(nèi)應(yīng)力。
3）半精加工兩端法蘭以及內(nèi)形基本成形且留有1mm余量，端面孔系加工完成。
4）再進(jìn)行一次時(shí)效熱處理，充分釋放工件內(nèi)應(yīng)力。
5）精加工工件的內(nèi)形和兩端至工藝尺寸要求，加工完成時(shí)工件壁厚為5mm。
6）采用設(shè)計(jì)好的工裝夾具進(jìn)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(nèi)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(lián)接見圖4），可調(diào)支撐柱上裝鎖緊螺母并置于筒體中部柱面上的螺紋孔內(nèi)，初始狀態(tài)先將可調(diào)支撐柱全部退回筒體內(nèi)腔，確保工件能順利裝入，將橡膠保護(hù)帽套入可調(diào)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(lián)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(lián)接，裝入開口楔環(huán)，使開口楔環(huán)的外錐面與B支撐盤的內(nèi)錐孔接觸，裝入壓緊螺母壓緊開口楔環(huán)，使得開口楔環(huán)楔入B支撐盤與筒體之間，確保B支撐盤與筒體滑動(dòng)部位緊密聯(lián)接（夾具右端壓板和工件的聯(lián)接見圖5），從筒體內(nèi)腔調(diào)節(jié)可調(diào)支撐柱（圓柱扳手插入可調(diào)支撐柱的孔里按順時(shí)針方向擰），從里到外分層逐個(gè)將可調(diào)支撐柱調(diào)節(jié)至橡膠保護(hù)帽頂住工件內(nèi)壁，緊固力應(yīng)均勻、可靠，既要保證橡膠保護(hù)帽對(duì)工件內(nèi)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(diào)節(jié)支撐柱時(shí)壓表觀察），可調(diào)支撐柱調(diào)整好后用鎖緊螺母鎖死。把裝好工件的夾具左端裝在機(jī)床卡盤上，機(jī)床尾座頂盤頂住夾具右端，加工零件至最終尺寸。
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圖3 零件裝在夾具上
1—筒體 2—A支撐盤 3、10—M6螺釘 4—M12螺釘 5—工件 6—橡膠保護(hù)帽
7—可調(diào)支撐柱 8—鎖緊螺母 9—B支撐盤 11—開口楔環(huán) 12—壓緊螺母
圖4 夾具左端壓板和工件的聯(lián)接
圖5 夾具右端壓板和工件的聯(lián)接
5 結(jié)束語
本文結(jié)合具體加工實(shí)例介紹了一種薄壁鋁合金殼體加工方案，重點(diǎn)介紹了一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝夾、定位以及支撐作用的工裝夾具設(shè)計(jì)方法，完美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(xiàng)工藝要求，具有很強(qiáng)的操作性和指導(dǎo)性，同時(shí)為類似零件的加工提供了解決方案和加工經(jīng)驗(yàn)。
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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第12期第48~50頁，作者：山西平陽重工機(jī)械有限責(zé)任公司 王永軍，畢永杰，原標(biāo)題：《薄壁鋁合金殼體零件加工方法探究》。
