薄壁鋁合金殼體零件加工方法探究

王永軍，畢永杰

山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司 山西臨汾 043000

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(lèi)零件結(jié)構(gòu)形狀特殊，在切削加工過(guò)程中由于其剛性差、強(qiáng)度低，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(guò)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(lèi)零件的加工方法。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

腰鼓形薄壁殼體（見(jiàn)圖1）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)[2]：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)度低，切削過(guò)程中極易產(chǎn)生振顫及變形問(wèn)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，因此如何裝夾是難點(diǎn)。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。

圖1 腰鼓形薄壁殼體

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具體如下[3]。

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(guò)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(pán)、B支撐盤(pán)、可調(diào)支撐柱、橡膠保護(hù)帽、開(kāi)口楔環(huán)及壓緊螺母等部件[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(pán)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(pán)的內(nèi)錐孔與開(kāi)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(pán)與B支撐盤(pán)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(kāi)口楔環(huán)，使其楔入B支撐盤(pán)與筒體滑動(dòng)部位之間，使得B支撐盤(pán)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。

圖2 夾具

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(pán)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(jiàn)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(pán)上的止口配合，并通過(guò)M6螺釘3聯(lián)接；從筒體右端裝入B支撐盤(pán)，使B支撐盤(pán)上的止口與零件大端法蘭止口配合，通過(guò)M6螺釘10聯(lián)接，裝入開(kāi)口楔環(huán)，使開(kāi)口楔環(huán)的外錐面與B支撐盤(pán)的內(nèi)錐孔接觸，裝入壓緊螺母壓緊開(kāi)口楔環(huán)，使得開(kāi)口楔環(huán)楔入B支撐盤(pán)與筒體之間，確保B支撐盤(pán)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(jiàn)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?lè)较驍Q），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(pán)上，機(jī)床尾座頂盤(pán)頂住夾具右端，加工零件至最終尺寸。

圖3 零件裝在夾具上

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(yǔ)

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，解決了零件加工過(guò)程中的振顫、變形問(wèn)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(lèi)似零件的加工提供了解決方案和加工經(jīng)驗(yàn)。