9游服务精密：解决薄壁铝合金壳体零件加工的振颤、变形问题

编者按
结合具体加工实例介绍了一种薄壁铝合金壳体加工方案，通过合理的工艺安排，特殊工装夹具的设计，完美解决了零件加工过程中的振颤、变形问题，具有很强的操作性和指导性，同时为类似零件的加工提供了借鉴依据。
1  序言
薄壁铝合金壳体零件在机械领域应用非常广泛，但此类零件结构形状特殊，在切削加工过程中由于其刚性差、强度弱，故极易产生振动和变形[1]，很难保证零件的加工质量，因此薄壁铝合金壳体零件的加工一直是机械加工领域的难题。本文以一种腰鼓形薄壁铝合金壳体加工为例，通过工艺方案确定、工装夹具设计及应用，介绍一种解决异形薄壁壳体类零件的加工方法。
2  零件结构分析
腰鼓形薄壁铝合金壳体如图1所示，材质为铝合金2A12，毛坯为φ500mm×520mm的圆柱实心体，固溶T4状态，零件结构中间为腰鼓形曲面，两端端面法兰结构，零件最大外径480mm，两端口部分别有φ296mm和φ314mm的止口，端面上均分布有孔系，中间腰鼓形部位壁厚仅为2mm，零件尺寸要求IT6级精度，外形轮廓度0.1mm，表面粗糙度值Ra＝1.6μm。分析其加工难点：①毛坯去除量大，容易使工件产生应力变形。②工件壁厚仅有2mm，整体结构刚性差、强度弱，切削过程中极易产生振颤及变形问题。③工件属于异形结构，两端法兰厚度只有18mm，且中间部位强度差，在工件的轴向或者径向上施加夹紧力都会造成零件变形，因此如何装夹是问题。[2]针对上述分析，加工该零件的重点是在工艺方案上必须充分考虑应力释放、装夹方式上避免装夹变形以及加强工件的刚性等。
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a）三维图
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b）二维图
图1　腰鼓形薄壁铝合金壳体
3  加工方案确定
3.1制定加工工艺方案
  制定的加工工艺方案[3]具体如下。　
1）加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。粗加工阶段在保证壳体有足够强度的前提下去除大部分余量；半精加工阶段将两端法兰以及内形加工基本成形且留有少许余量，端面孔系加工完成；精加工分两步加工关键部位，第一步加工两端法兰以及内形至工艺尺寸，第二步加工全部外形至工艺尺寸。
2）在粗加工、半精加工后精加工之前安排去应力时效处理，去除零件加工过程中产生的内应力，减小应力变形，以保证尺寸及几何精度。
3.2夹具设计
夹具设计是该零件加工的重点，为保证零件各项尺寸及几何要求，加强零件刚性，该夹具必须同时具备装夹、定位以及支撑作用，设计夹具如图2所示，该夹具包括筒体（内径为210mm）、A支撑盘、B支撑盘、可调支撑柱、橡胶保护帽、开口楔环、压紧螺母等部件[4,5]。筒体的一端设置夹紧端头，中间柱面阵列有交叉设置的螺纹孔，另一端设置有滑动部位及螺纹；A支撑盘内止口与筒体夹紧端头小间隙配合并用螺钉固定；可调支撑柱上装锁紧螺母并一同置于筒体中部柱面上的螺纹孔内，将橡胶保护帽套入可调支撑柱的另一端；B支撑盘的内锥孔与开口楔环的外锥面配合并同时套入筒体的滑动部位；在A支撑盘与B支撑盘之间形成装夹零件的工位；压紧螺母置于筒体的螺纹上并压紧开口楔环使其楔入B支撑盘与筒体滑动部位之间，使得B支撑盘与筒体滑动部位紧密联接；橡胶保护帽既能起到支撑作用，又能起到减振和保护工件表面的作用。
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图2　夹具
1、3—M12螺钉　2—A支撑盘　4—筒体　5—橡胶保护帽　6—可调支撑柱　
7—B支撑盘　8—M6螺钉　9－开口楔环　10－压紧螺母
4  具体实施方式
1）首先对工件毛坯进行粗加工，保证形状与零件相似，各尺寸留3mm余量，加工完成后壁厚8mm。
2）进行一次时效热处理，充分释放工件内应力。
3）半精加工两端法兰以及内形基本成形且留有1mm余量，端面孔系加工完成。
4）再进行一次时效热处理，充分释放工件内应力。
5）精加工工件的内形和两端至工艺尺寸要求，加工完成时工件壁厚为5mm。
6）采用设计好的工装夹具进行零件的全部外形加工，先将零件装在夹具上，如图3所示，将A支撑盘套入筒体，使其内止口与筒体夹紧端头配合并用M12螺钉固定（夹具左端压板和工件的联接见图4），可调支撑柱上装锁紧螺母并置于筒体中部柱面上的螺纹孔内，初始状态先将可调支撑柱全部退回筒体内腔，确保工件能顺利装入，将橡胶保护帽套入可调支撑柱的另一端，工件从筒体右端装入，使其小端法兰面止口与A支撑盘上的止口配合，并通过M6螺钉3联接；从筒体右端装入B支撑盘，使B支撑盘上的止口与零件大端法兰止口配合，通过M6螺钉10联接，装入开口楔环，使开口楔环的外锥面与B支撑盘的内锥孔接触，装入压紧螺母压紧开口楔环，使得开口楔环楔入B支撑盘与筒体之间，确保B支撑盘与筒体滑动部位紧密联接（夹具右端压板和工件的联接见图5），从筒体内腔调节可调支撑柱（圆柱扳手插入可调支撑柱的孔里按顺时针方向拧），从里到外分层逐个将可调支撑柱调节至橡胶保护帽顶住工件内壁，紧固力应均匀、可靠，既要保证橡胶保护帽对工件内壁有支撑力，又不能把工件顶变形（如果掌握不好力度，可在调节支撑柱时压表观察），可调支撑柱调整好后用锁紧螺母锁死。把装好工件的夹具左端装在机床卡盘上，机床尾座顶盘顶住夹具右端，加工零件至最终尺寸。
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图3　零件装在夹具上
1—筒体　2—A支撑盘　3、10—M6螺钉　4—M12螺钉　5—工件　6—橡胶保护帽　
7—可调支撑柱　8—锁紧螺母　9—B支撑盘　11—开口楔环　12—压紧螺母
图4　夹具左端压板和工件的联接
图5　夹具右端压板和工件的联接
5  结束语
本文结合具体加工实例介绍了一种薄壁铝合金壳体加工方案，重点介绍了一种能够同时实现装夹、定位以及支撑作用的工装夹具设计方法，完美解决了零件加工过程中的振颤、变形问题，此加工方案保证了加工零件的尺寸、形位以及表面等各项工艺要求，具有很强的操作性和指导性，同时为类似零件的加工提供了解决方案和加工经验。
参考文献：
[1] 王延波. 关于铝合金薄壁零件的机械加工工艺研究[J]. 电子制作，2016（14）：50.
[2] 杨继红，杨小军，于鲁萍. 2A12合金薄壁零件机械加工方法探讨[J]. 科技创新导报，2014，11（33）：10-11.
[3] 孙树珍，韩啸. 薄壁零件加工变形的分析[J]. 太原重型机械学院学报，2002（S1）：57-58.
[4] 孙友明. 低刚度工件机加工的定位、夹紧形式[J]. 中国惯性技术学报，1994（3）：5.
[5] 夏庆宏，张茜. 零件加工中的机床夹具设计作用[J].科技资讯，2017，15（17）：101+103.
本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第12期第48~50页，作者：山西平阳重工机械有限责任公司　王永军，毕永杰，原标题：《薄壁铝合金壳体零件加工方法探究》。