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(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)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、航天和高精密模具等領(lǐng)域，其最顯著的特點(diǎn)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(jī)械加工性能良好，由于其最大的特點(diǎn)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(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
圖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)如圖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
圖1 蝸殼
a）正面 b）反面
c）側(cè)視 d）仰視
e）俯視
圖2 蝸殼結(jié)構(gòu)
2.2 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
（1）依據(jù)設(shè)計圖樣分析 蝸殼關(guān)鍵尺寸精度如圖3所示，有多處幾何公差要求。
a）主視圖
b）俯視圖
c）剖視圖
圖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(jī)械加工性能良好，其最大的特點(diǎn)是易變形。
（3）從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面分析 局部實(shí)體連接部分壁厚僅1～1.5mm，符合薄壁件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
（4）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(shè)計思路如下。
a）正視圖 b）側(cè)視圖 c）俯視圖
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(shè)計假體毛坯時，一般優(yōu)先考慮方形毛坯和圓形毛坯。因?yàn)榉叫蚊鞣奖慊Q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(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。
（3）從加工刀具的懸伸長度分析 以工件中心為出發(fā)點(diǎn)，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(diǎn)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(zhǔn)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（見圖5）、4處M5紫色螺紋孔和5處φ4.2mm藍(lán)色圓形通孔。裝夾方案制定思路如下。
圖5 基準(zhǔn)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(zhǔn)備，同時要求各工序工裝設(shè)計應(yīng)遵循加工基準(zhǔn)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(zhǔn)備。
3）增加5處φ4.2mm藍(lán)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(zhǔn)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圖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
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(jìn)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(dá)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由于圖6a綠色區(qū)域因?yàn)橛屑袤w毛坯的輔助，具有一定的強(qiáng)度，所以單邊可以少留一點(diǎn)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(qū)域，單邊留0.5mm余量。
a）工件內(nèi)部剖視圖 b）正面工裝三維圖 c）正面工裝實(shí)物
圖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
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(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(shè)計。如圖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（見圖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。圖8a中4個藍(lán)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(qū)域進(jìn)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]。加工仿真效果如圖9c、圖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
圖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，得出圖9a、圖9b中綠色區(qū)域?yàn)闇p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(jìn)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(zhǔn)面的修正
（1）反面基準(zhǔn)面修正（見圖10）設(shè)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(tài)下，基準(zhǔn)平面見光。
a）加工區(qū)域 b）軟爪鉗口工裝 c）裝夾示意
圖10 反面基準(zhǔn)面修正
工藝分析：本工序其實(shí)就是修正熱處理后的基準(zhǔn)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(qiáng)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(zhǔn)平面，而且修正量一定要少，基準(zhǔn)平面見光即可。這就是在自由狀態(tài)下，修正基準(zhǔn)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(zhǔn)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（見圖10b）的設(shè)計思路如下。
1）設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)。既然是自由狀態(tài)下修正基準(zhǔn)平面，那么工件只允許徑向受力，不允許垂直方向受力，因?yàn)榇怪狈较蚴芰构ぜ霈F(xiàn)彈性變形。
2）定位面的設(shè)計。如圖10b所示，3處紅色小面為工件定位面，模擬點(diǎn)接觸方式支撐工件，有效避免面與面接觸的不確定因素。因?yàn)槭腔鶞?zhǔn)面的修正，工件底面重點(diǎn)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(diǎn)接觸定位面的設(shè)計方式為基準(zhǔn)面修復(fù)的又一關(guān)鍵點(diǎn)。
3）裝夾方式設(shè)計。如圖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。
（2）正面基準(zhǔn)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(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。
圖11 正面基準(zhǔn)面修正及各孔精加工
工藝分析如下。
1）正面基準(zhǔn)面的修正。①因?yàn)楣ぜ疵婊鶞?zhǔn)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(zhǔn)面時，是允許垂直方向受力的，如圖11所示，反面基準(zhǔn)面貼緊工裝，反向螺釘拉緊工件即可。②修正正面基準(zhǔn)面的作用是為后序工裝的設(shè)計做準(zhǔn)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(shè)后工序工件的圓形假體毛坯去除后，出現(xiàn)了反面基準(zhǔn)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(zhǔn)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(diǎn)也很重要。
2）反面基準(zhǔn)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(zhǔn)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(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，如圖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（見圖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(shí)體
c）裝夾示意
圖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
圖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(zhǔn)統(tǒng)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(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（見圖13a中6個藍(lán)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（見圖13c工件內(nèi)部5個藍(lán)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，如圖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(diǎn)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?yàn)閮?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如圖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(zhǔn)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(jìn)行后工序加工。
6.3 正面精加工
產(chǎn)品正面精加工如圖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。如圖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
圖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(shè)計思路。根據(jù)工件底部有多處凸耳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(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(yán)格按照圖樣要求檢測，檢測結(jié)果符合圖樣要求。
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(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)，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(zhǔn)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(zhǔn)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。
