異形薄壁件精密蝸（wō）殼加工工藝（yì）
隨著（zhe）科技的不斷進步，異形薄壁件在許多領域得到了廣泛應用（yòng），如航空航天、汽車、電子等。然而，由於其形（xíng）狀複雜、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性的問題。特別是在精密蝸殼加工領域，對加工工藝的要求更為嚴格。
一、異形薄壁件精密蝸（wō）殼加工的難點
異形薄壁件（jiàn）精密蝸殼加工的難點主要表現在以（yǐ）下幾個方麵：
形狀複雜：異（yì）形薄壁件（jiàn）通常具有複雜的幾何形狀，這給加工設備的設計和製造帶來了很大的挑戰。
壁薄易變形：由於異形薄壁件的（de）壁很薄，加工過程中很容易（yì）發生變形，影（yǐng）響加工（gōng）精度和質量。
材料硬度高：許多異形薄壁（bì）件（jiàn）采（cǎi）用高硬（yìng）度（dù）材料製（zhì）造，這使得加工難度進一步增加。
精度要求高：精（jīng）密蝸殼在許多領域都有廣泛應用，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（bì）件精密蝸（wō）殼加工的難點，許（xǔ）多企（qǐ）業和研究機構進（jìn）行了大（dà）量的（de）探索與實踐。以下是一些主要的加工工藝方法（fǎ）：
數（shù）控機床（chuáng）加工：利用數控機床（chuáng）進行異（yì）形薄壁件精密蝸殼的加工是當前主（zhǔ）流的方（fāng）法。通過精（jīng）確控製機床的切削參數和刀具路徑，可以實現高精度的加工。
激光切割（gē）：激光（guāng）切割是一種非接觸式的加工方法，適用於各種材料和（hé）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（jiā）工效率和質量。
水切割：水切割利用高壓水流對材料進行切割，具有（yǒu）切割精度高（gāo）、表麵質量好（hǎo）、無熱影響等優點。特別適用於高硬度材料的異形薄壁件精密蝸（wō）殼加（jiā）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生的風險。同時，超聲波振動還可以提高切削效率和（hé）質量。
複（fù）合加工技術：將多種加工方法結合起來，形成複合加工技術，可以（yǐ）充分發揮各種方法的優勢，提高異（yì）形薄（báo）壁件精密蝸（wō）殼的加工效率和質量。例如，將數控機床與激光切割技術相結合，可以實現高（gāo）效、高（gāo）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新，未來異形薄壁件精密蝸殼加（jiā）工工藝將（jiāng）會朝（cháo）著更加高效、高精度（dù）、智能（néng）化的方向發（fā）展。以下是一些可（kě）能（néng）的未來發展趨勢：
智能化加工（gōng）：通過引（yǐn）入人工（gōng）智能和（hé）機器學習技術（shù），實現異形薄壁件精密蝸殼加工過程的智（zhì）能化控製和管理。通過實時監測和調整加工參數，提高加工效率（lǜ）和（hé）產品質（zhì）量（liàng）。
高速切削技術：采用更高速度的切削技術，可以進一步提高異形薄壁件精密蝸殼的加工效率和質量。同時，高速切削還可以減小切削力和切（qiē）削熱的影響，提（tí）高工件的加工（gōng）精度和表麵質量。
多軸聯動技術：通過引入多軸聯動技術，可以實現異形薄壁件精（jīng）密蝸殼的多軸（zhóu）協（xié）同加工。這將大大提高加工效率和精（jīng）度，降低工件的變形風險。
綠色製造技術：隨著（zhe）環保意識的不斷提高，綠色製造技（jì）術將（jiāng）成為未來異形薄壁件精密蝸殼加工的重要發展方（fāng）向。通過采用環保材料、優化工藝流程和降低能耗等方式，實現異（yì）形薄壁（bì）件精（jīng）密蝸殼的綠色製造。
以動力裝置中的鋁合金異（yì）形結構件蝸殼為例，針對薄壁、鏤空的結構特點及關鍵技術難點進行工藝分析並製定完整的工藝方案，通過粗、精（jīng）加工和時效處理，在產品加工過程中多次釋放內應（yīng）力，在（zài）保證產品精度（dù）的同時，有效控製了產品變形。
1序言
鋁合金異形結構件常用於軍工、航天（tiān）和高精密加工http://www.dxqiumoji.com/模具等領域，其最顯著的（de）特點是精度高且形狀複雜，在材料的選擇上（shàng）以2A12-T4鋁合金居多。2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，由於其最大的特點（diǎn）是易變形[1]，因此（cǐ）其異形結構件的加工難度（dù）大。下麵（miàn）以動力裝置中的鋁（lǚ）合金異形（xíng）結構件蝸（wō）殼為例，探（tàn）討其加工方法。
2結（jié）構特點（diǎn）及關鍵技術難點
2.1結構特點
案（àn）例1所示蝸殼為複雜的異形結構件，且屬於鏤空薄壁件，蝸殼結構如案例2所示。從產品（pǐn）精度上看，蝸殼為關鍵精密輸出結構件；從裝配結構上看，蝸（wō）殼為整（zhěng）套結構的裝配載體。
a）正視
b）側視
案例1蝸殼
a）正麵b）反（fǎn）麵
c）側（cè）視d）仰視
e）俯視
案例2蝸殼結構
2.2關鍵技術難點
（1）依據設計案例樣分（fèn）析蝸殼關鍵尺寸精度如案例3所示，有多處幾何公（gōng）差要求。
a）主視案例
b）俯視案例
c）剖視案例
案例3蝸殼關鍵尺寸精（jīng）度
（2）從材料方麵分析2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，其最大的特點是易變形。
（3）從（cóng）產品結（jié）構方麵分析局部（bù）實體連接（jiē）部分壁厚僅1～1.5mm，符合薄壁（bì）件結構特點。
（4）從（cóng）加工工（gōng）藝（yì）方麵分析在保證產品精度的同時，如何控製產品的變形顯得尤為（wéi）重要。
3毛坯製（zhì）造及裝夾方案
3.1異形（xíng）件假體毛坯的製造
異形件假體毛坯方案模型如案例4所（suǒ）示，其中綠（lǜ）色為（wéi）工件，黃色圓形為假體毛坯。假體毛坯設計思路如下。
a）正視案例b）側視案例c）俯視（shì）案例
案例4異形件假體毛坯方（fāng）案模型
（1）從（cóng）工（gōng）件的外形形狀分析設（shè）計假體毛坯時，一般優先考慮方形毛坯和圓形毛坯。因（yīn）為方形毛坯方便虎鉗裝夾，圓形毛坯方便（biàn）自定心卡盤裝夾，而蝸殼的外形形（xíng）狀（zhuàng）更貼近於圓形，所以初步確定為圓形假體毛（máo）坯。
（2）從加工手段上分析根據工件的結構（gòu）組成，需要五軸（zhóu）加（jiā）工中心配合完成加工，在五軸多工位旋轉過（guò）程中，圓形假體毛坯更適合旋轉軸的擺角方式。
（3）從加工刀具的懸伸長度分析以工件中心為出發點，相（xiàng）對於（yú）方形毛坯刀具懸伸的不均勻性，圓形毛坯為等（děng）半徑加工，刀具的懸伸長度不會出現或長或短現象。
綜上所述，從加（jiā）工工（gōng）件部位最大（dà）化的原則出發，重點考慮工件加工過程中的剛性，最終確定假體毛坯方案（àn），用（yòng）圓形（xíng）毛坯增大底部定位基準麵，高度與底（dǐ）部小凸台上平麵平齊。
3.2裝夾（jiá）方案的製定（dìng）
在假體毛坯的合適（shì）位置上，設計2處φ10mm紅色銷（xiāo）孔（見案例5）、4處M5紫色螺紋孔和5處φ4.2mm藍色圓形通孔。裝夾方案製定思路如下。
案例5基準孔和鎖緊孔
1）增加2處紅色φ10mm銷孔的目的，是與黃色假體大平麵共同形（xíng）成“一（yī）麵兩銷”的經典裝夾定位模式，為後序工裝設計做準備（bèi），同時要（yào）求各（gè）工（gōng）序工裝設計應遵循加（jiā）工基準統一原則[2]。
2）增加4處M5紫色螺紋孔的目（mù）的，是可以通過螺釘反向拉緊的方式固定工件本體，為後序工裝設計做準備（bèi）。
3）增加（jiā）5處φ4.2mm藍色圓形通孔的目的，是可以通過（guò）螺釘正向鎖緊的方式固定工件本體，為後（hòu）序工裝設計做（zuò）準備。
綜上所述，裝夾方案已經確定，工藝方案將以此展開。
4粗加工方案
4.1反麵第一次粗加工（gōng）反麵第一次粗加工如案例（lì）6所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗裝夾。
a）反麵粗加工區域b）反麵開粗後的仿真效果
案例6反麵第一次（cì）粗加工
1）虎鉗裝夾毛坯底部平行夾位，對（duì）原始圓形毛坯進（jìn）行（háng）大餘量開粗。
2）頂端大平麵留0.5mm餘量，加（jiā）工各處銷孔、螺（luó）紋孔和圓形通孔至達到零件尺寸要求。
3）工件綠色區域單邊留0.3mm餘量。
工藝分析：①去除工（gōng）件反麵大餘量毛坯，使（shǐ）產品反麵做初次應力（lì）釋放。②由於案例6a綠色（sè）區域因為有假體毛坯的輔助，具有（yǒu）一定（dìng）的強度，所以單邊可（kě）以少留一點（diǎn）餘量，單邊留0.3mm餘量。
4.2正麵第一次粗加工
正麵第一次粗（cū）加工采用三（sān）軸加工中心加工。正麵專用工裝設計如案例7所示。正麵第一次粗加（jiā）工如案例8所示，粗加工所有綠色區域，單邊留0.5mm餘量。
a）工（gōng）件內部剖視案例b）正麵工裝三維（wéi）案例c）正麵工（gōng）裝實（shí）物
案例7正麵專用工（gōng）裝設計
a）正麵粗加工區域b）正麵開粗後的（de）仿真效果
案例8正麵第一次粗加工
工藝分析：①去除正（zhèng）麵大餘量毛坯，使產品正麵做初次應力釋放。②用三軸加工中心（xīn）去除毛坯餘量，目的在於（yú）為後序五軸加工減輕質量和節省五軸（zhóu）加工時間。
正麵專用（yòng）工裝設計思路如下。
1）定位麵設計。遵（zūn）循一麵兩銷的裝夾原則（zé），如案例7b所（suǒ）示，綠色麵為定（dìng）位麵，兩（liǎng）處紅色銷釘用於限位。
2）工裝（zhuāng）排屑設計。如案例7a所示，由於工件內部（bù）凹腔結構特殊，在（zài）使用T形刀加工（gōng）內部凹腔過程中，必然會產生大量切屑，隨著切屑的增多，在切屑沒有順利排出的情況下，很有可能（néng）悶斷T形刀，因此，在工（gōng）裝上設（shè）計兩處紫色貫穿孔（見案例（lì）7b），方便（biàn）切屑的排出與下沉。
3）裝夾方式設計。根據工件（jiàn）假體上4處M5螺紋孔位置，對應設計工裝鎖緊位置，用4顆M5內六角圓柱頭螺釘（dìng）反向拉緊工件（jiàn），從而固（gù）定工件。案例8a中4個藍色零部（bù）件為M5內六角圓柱頭螺（luó）釘。
4.3正麵第二次粗加（jiā）工
正麵第（dì）二次粗加工如案例9所示，采用五軸加工中心加（jiā）工（gōng），專用工裝（zhuāng）裝夾。如案例9a、案例9b所示，對工件所有紅色區域進行（háng）二次加工，單邊留0.3mm餘量（liàng）；將工件（jiàn）所有綠色區域加工到位（即最終產品此處區域加工（gōng）到位，不（bú）留餘量）[3]。加工仿真效果如案（àn）例（lì）9c、案例9d所示。
a）正麵加工區域b）旋（xuán）轉180°視角的加工區域
c）加工仿（fǎng）真效果d）旋轉180°視角的仿真效果
案例9正麵第（dì）二（èr）次粗加工
工藝分析：由於根據產品結構和尺寸精度分析，得出案例9a、案例9b中綠色區域為（wéi）減重區域，因此加（jiā）工到位，同時也使產品正麵內應力得到二（èr）次釋（shì）放。
5時效處理
為了消除工件加工過程中的內應力（lì），穩定工件基體組織，對工件進行時效（xiào）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（wéi）4～5h，降（jiàng）溫速度為43℃/h，冷卻方式為隨爐冷卻，出爐溫度為室溫。
6關鍵（jiàn）部位精加工方案
6.1基準麵的（de）修正
（1）反麵基準麵修正（見案例10）設計軟爪鉗口專用（yòng）工裝如案例10b所（suǒ）示。采用三軸加工中心加工，虎鉗配（pèi）合專用工裝裝夾，輕夾工件（jiàn）最大外（wài）圓，加工紅色大麵見光即可。在自由狀態下，基準平麵見（jiàn）光。
a）加工區域b）軟爪鉗口（kǒu）工裝c）裝夾示意
案（àn）例10反麵基準麵修正
工藝分析：本工（gōng）序其實就是修正熱處理後（hòu）的基準（zhǔn）平麵。工件的自由（yóu）狀態，是有剛性條件（jiàn）支撐下的狀態，通俗來講（jiǎng），就是工件在當前狀態下本體強度（dù）好。精度（dù）高的（de）結構件（jiàn），一定要在精加工前使工件具有剛性。要（yào）為精加工前的工件製造剛性（xìng）條（tiáo）件，在剛性條件（jiàn）支撐下，再來（lái）修正（zhèng）基準平麵，而且修正量一定要少，基準平麵見光即可。這就是在自由狀態下（xià），修正基準平麵的含義。由於工件在去除圓形假體毛坯之前，是（shì）存在一定剛性的，在此基礎上修正基準麵，這樣的麵才是平的（de），所以說這一工（gōng）序十（shí）分關鍵。
軟爪鉗口專（zhuān）用工裝（見案例10b）的設計思路如下。
1）設計的出發點。既然是自由狀態下修正基準平麵，那麽（me）工件隻允許徑向受力，不允許垂直方向受力，因為（wéi）垂（chuí）直方向受力會使工件出現彈性（xìng）變形。
2）定位麵的設計（jì）。如案例10b所示，3處紅色小麵為工件定位麵，模擬（nǐ）點接觸（chù）方式支撐工件，有效避免麵與麵接觸的不確定因素。因（yīn）為是基準麵的修正，工（gōng）件底麵重點在於支撐，而不是重在貼合，特別（bié）是（shì）熱處理後的（de）工件定位麵，所以，此處點接（jiē）觸（chù）定位麵的設（shè）計方式為基準麵修複的又一關鍵點。
3）裝夾方式設（shè）計。如案例10c所示，模仿車床裝夾方式，為工件假體外圓設計軟（ruǎn）爪工裝，嵌入式包夾工件外圓。
（2）正麵基準麵修正及各（gè）孔精加工（見案（àn）例11）采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾，加工工件正麵標記的紅色（sè）大麵和兩處紫色麵（miàn），見光即可，保證麵與麵之間的距離公差±0.02mm。精加工工件正麵紅色標記的各圓孔、螺紋孔及側麵貫穿孔至成品尺寸。
案例11正麵基準麵修正及各孔精加工
工藝分析如下。
1）正麵基準麵的修（xiū）正。①因為工件反麵基準麵在自然（rán）狀態下修正後，消（xiāo）除了麵的彈性變形，所（suǒ）以在修正正麵基準麵時（shí），是允許垂（chuí）直方向受（shòu）力（lì）的，如（rú）案例11所示，反麵基準麵貼緊工裝，反向螺釘拉緊工（gōng）件即可。②修正正麵（miàn）基準（zhǔn）麵的作用是為後（hòu）序工裝的設計做準備，保證定（dìng）位麵的一致性。如案例（lì）11所示，確定（dìng）選取其中紅色大麵與最上麵的紫色麵為工裝定位麵。③為（wéi）什麽要修正中間的紫色麵。假設後工序工件的（de）圓形假體毛坯去除後，出現了（le）反（fǎn）麵基準麵（miàn）的（de）二次變形，且造成後工序無法連接，這時就需要兩處紫色麵作（zuò）為定位麵，結合（hé）工裝對反麵基準（zhǔn）麵做二（èr）次修正，意義在於為工藝（yì）方案本身做預（yù）案，應對產品變形的不（bú）確定性。這一點（diǎn）也很重要。
2）反麵基準麵修正後，且熱處理後的工件主體狀態良好，可以加工工件各處圓孔、螺紋孔至成品（pǐn）尺寸（cùn），而且孔（kǒng）的（de）加工（gōng）不會影響正麵基準麵的修複。
6.2反麵精加工
反麵精加工專用工裝設計如案例12所（suǒ）示。三軸加工中（zhōng）心加工，專用工裝裝（zhuāng）夾。工件反麵精加工如案例（lì）13所（suǒ）示，先用（yòng）6顆M5內六角圓柱頭螺釘（dìng）裝（zhuāng）夾，精加工工件紅色區（qū）域（yù），用挖腔的方式加工紅色區域（yù）內的平麵、台階麵、凹腔及各圓（yuán）孔至成品尺寸；然後程序暫停，如案（àn）例（lì）13b所（suǒ）示，內腔紅色區域內增加圓形壓板和內六角圓柱頭螺（luó）釘裝夾，加工綠色區域至成品尺寸；最後用落料（切斷銑）的方式加工工件最大外形側麵（見案例13c），使用φ2mm立銑刀加工外形至成品尺寸（cùn），去除假體毛坯。
a）工裝定位麵及限位銷b）工裝實體
c）裝夾示意
案例12反麵精加工專用工裝設計
a）精加工紅色平麵及凹腔b）精加工綠色凹槽（cáo）
c）精加工工件外形
案（àn）例13反麵精加工
工藝分（fèn）析如下（xià）。
1）反麵精加工專用工裝設計思路（lù）。①定（dìng）位麵設計思路。依然遵循工序基準統一的裝（zhuāng）夾原（yuán）則，如案例12a所示，兩處綠色麵為（wéi）定位麵（miàn），兩個紅色銷釘用於限位。②裝夾方式設計思路。根據工件圓形假體毛坯的圓孔位置（zhì），設計6顆內六角圓柱頭螺釘（見案例13a中6個藍（lán）色零部件），鎖緊工（gōng）件外（wài）部。為防止工件外形落料鋸斷時發生移動，根據產品本身結構，尋找合適孔位，增加4顆（kē）內六角圓柱頭螺釘和1處圓形壓板（見案例13c工件內部5個藍色（sè）零部件），鎖緊工件內部。
2）從產（chǎn）品精（jīng）加工餘量分（fèn）布（bù）情況看，如案例13b所示（shì），工件（jiàn）的紅（hóng）色（sè）區域單邊餘量隻有0.3mm，綠色區域也隻是做局部清根處理，由（yóu）於加工內容（róng）較少，並未發生大（dà）餘量切削，不會產生過多內應力，對（duì）工件整體（tǐ）精度（dù）也不會造（zào）成影（yǐng）響，因（yīn）此本工序可以全部加工（gōng）到位。
3）重（chóng）點分析落料（liào）加工及加工效果（guǒ）。①用類似銑槽的方法使工件從（cóng）毛坯上脫落下（xià）來，一般底麵留0.1～0.15mm餘量。落料加工的意義是避免局部大餘量銑削加工造成工件因為（wéi）內應力集中而導致最終變形。落料加工常用於（yú）外形、內腔及內孔有較大的材料去除的時候。②如（rú）案例13c所示，用落料的方法去除工件的假體毛坯，加工內容較少，不會產生過多熱應（yīng）力。③工件（jiàn）去除（chú）假體毛坯後，測量反麵基準平麵變形量為0.016mm，而案例樣要求的平麵度為0.03mm，符合案例樣要求，可進行後工（gōng）序加工。
6.3正麵精加工
產品正麵精加工如案例14所示。五軸加工中心加工，設計正（zhèng）麵精加（jiā）工專用工裝裝夾。如案例14c所示，精加工工件正麵上有紅色標（biāo）記的（de）各平麵、外圓、台階（jiē）麵及4處小（xiǎo）圓孔至成（chéng）品尺寸。
a）工（gōng）裝定位麵及限位銷b）裝（zhuāng）夾（jiá）示意
c）正麵精加（jiā）工區域
案例14正麵精加工
工藝分析如下。
1）正麵精加工專（zhuān）用工裝設計思路。①定位麵設計（jì）思（sī）路（lù）。依然遵循一麵兩銷（xiāo）裝夾原（yuán）則，如案例14a所示，綠色麵（miàn）為定位麵，兩（liǎng）處紅色（sè）銷（xiāo）釘用於（yú）限位。②裝夾（jiá）方式設計思路。根據工件（jiàn）底（dǐ）部有多處凸耳的結構特點，如案例14b所（suǒ）示，采用多（duō）壓板裝夾工件底部凸耳的方式（shì）。
2）如案例14c所示，工（gōng）件上各處紅（hóng）色區域單邊餘（yú）量隻有0.3mm，加工內容較（jiào）少，不會產生過多內應力，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結束（shù）語
異形（xíng）件精密蝸殼按照上述工藝方案加工完成（chéng）後，嚴格按照案例樣（yàng）要求檢測，檢測結果符合案例（lì）樣要求。
鋁合金異形結構件蝸殼的整個工藝開發過程，技術關（guān）鍵點主要體現在4個（gè）方麵：①從鋁合金異形（xíng）結構（gòu）件的結構特點出發，建立合理且規則的假（jiǎ）體毛坯，利用假體毛坯轉化成工件的（de）定位裝（zhuāng）夾基準（zhǔn），方便後序的（de）裝夾。②著重考慮產品在裝夾過程中的受力方向，遵循基準統（tǒng）一的原則（zé）設計工裝。③讓工件（jiàn）在自由狀態下裝夾，消除工件基準（zhǔn）平麵的變形。④在產品加工過程中（zhōng），多次釋放內應力（lì）。4個方（fāng）麵相輔相成，使高精密異形件產品（pǐn）得以完成。
專家點評
本例中蝸殼零件壁薄、鏤空（kōng）且形狀複雜，作者針對零件的結構特點及關鍵技術難點進行工藝分析並製定完整的工藝方（fāng）案，從4個方麵采取工藝改進措施，建立假體毛（máo）坯並遵循基準統一的原則設計工裝，在自由狀態下裝夾工件，並在加工（gōng）過程中多次釋放內部應力，在保證產品精度（dù）的同時有效控製了變形。
文章內容嚴謹，論據充分，建模清（qīng）晰，案例文並茂，亮點是關鍵部位精加（jiā）工方案，在工（gōng）件自由狀態下修正基準平麵，消除變形誤差。結尾部分也總結概括得很好，融（róng）會貫通，簡明扼要（yào）。
參考文（wén）獻：
[1]曾正（zhèng）明.機械工程材料手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.
[2]餘光國，馬俊（jun4）.機床夾具設計[M].重慶：重慶大學出版社，1995.
[3]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊（cè）[M].3版.北京：機（jī）械工業出（chū）版社（shè），2009.
本（běn）文發表於（yú）《金屬加工（冷加工）》2023年第12期第22~27頁，作（zuò）者：成都劍澗優能航空設（shè）備製造有限公司白（bái）雪坤，原標題：《異（yì）形（xíng）薄壁（bì）件精密蝸殼加工工藝》。
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