藝（yì）匠精（jīng）密：解決薄壁鋁（lǚ）合（hé）金殼體零件加工的振顫、變形問題

編者按
結合具體加工實例介紹了一種薄壁鋁合金殼體加工方案，通過合理的（de）工藝安排，特殊工裝夾（jiá）具的設計，完美（měi）解決了零件加工（gōng）過程中的振顫（chàn）、變形問題，具有很強的（de）操作性和指導性，同時為類似零件的加（jiā）工提供了借鑒依據。
1  序言
薄壁（bì）鋁合（hé）金殼體零（líng）件在機械領域應用非常廣泛，但此類零件結（jié）構形狀特殊，在切削加工過程中由於（yú）其剛性差（chà）、強度（dù）弱，故極易產生振動和變（biàn）形[1]，很難保證零件的加工質量，因此薄壁鋁合金殼體零件的加工一直是機械加工領域的難題。本文以一種（zhǒng）腰鼓（gǔ）形薄壁鋁（lǚ）合金殼體加工為例，通過工藝（yì）方案確定、工裝夾具設計及應用，介紹一種解決異（yì）形薄壁殼體類零件的加工方法（fǎ）。
2  零件結構分析
腰鼓（gǔ）形薄壁鋁合金殼體如圖1所示，材質為鋁合金（jīn）2A12，毛坯為φ500mm×520mm的圓柱實心體，固溶T4狀態，零（líng）件（jiàn）結構中間為腰鼓形曲麵，兩端端麵法蘭結（jié）構（gòu），零件最大外徑480mm，兩端口部分別有φ296mm和（hé）φ314mm的止口，端麵上均分布有孔係，中間腰鼓形部位壁厚僅為2mm，零件尺寸要求IT6級精度，外（wài）形輪（lún）廓度0.1mm，表麵粗糙度值Ra＝1.6μm。分析其加工難（nán）點：①毛坯去除量大，容易使工件產生應（yīng）力變（biàn）形。②工件壁厚僅有2mm，整體結構剛性（xìng）差、強度（dù）弱（ruò），切削過程中極易（yì）產生振顫及變形問題。③工件屬於（yú）異形結構，兩（liǎng）端法蘭厚度隻有（yǒu）18mm，且中間部（bù）位強度差，在工件的軸向或者徑向上施加夾（jiá）緊（jǐn）力都會造成零（líng）件變形，因（yīn）此如何裝夾是問（wèn）題。[2]針對上述分析，加工該零件的重點是在工（gōng）藝方案上（shàng）必須充分考（kǎo）慮應力（lì）釋放、裝（zhuāng）夾方式上避免裝夾變形以及加強工件的剛性等（děng）。
圖片
a）三維圖
圖（tú）片
b）二維圖
圖（tú）1　腰鼓形薄壁鋁合（hé）金（jīn）殼（ké）體
3  加工方案確定
3.1製定加工工藝方案
  製定的加工工藝（yì）方（fāng）案[3]具體如下。　
1）加工（gōng）分為粗加工、半精加工和精加（jiā）工三個階（jiē）段（duàn）。粗加工階段在保證殼體有足夠強度的前提下去除（chú）大部分餘量；半（bàn）精加工階（jiē）段（duàn）將兩端法蘭（lán）以及內形加（jiā）工基本成（chéng）形且留有少許餘量，端麵（miàn）孔係加工完成；精（jīng）加工分兩步加工關鍵部位，第一步加工（gōng）兩端法蘭以及內形至工藝尺（chǐ）寸，第二步加工全部外形至工（gōng）藝尺寸。
2）在粗加工、半精加工後精加工之前安（ān）排去應力時效處理，去（qù）除零件加工過程中產生的內應（yīng）力，減小應力變形，以保（bǎo）證尺寸及幾何精度。
3.2夾具設（shè）計
夾具（jù）設計是該零件加工（gōng）的重點，為保證零件各（gè）項尺寸及（jí）幾何要（yào）求，加強零件剛性，該夾具必須同時具備裝夾、定位（wèi）以及支撐作用，設計夾（jiá）具如圖2所示，該（gāi）夾具包（bāo）括筒體（內徑（jìng）為210mm）、A支撐盤、B支撐盤、可調支撐柱、橡膠保護（hù）帽、開口楔環（huán）、壓緊螺母等部件[4,5]。筒（tǒng）體的（de）一端設置夾緊端頭，中間柱麵陣列有交叉（chā）設置的螺紋孔，另（lìng）一端設置有滑動部位及（jí）螺（luó）紋；A支撐盤內止口與筒體夾（jiá）緊端頭（tóu）小間隙配合並用螺釘固定；可（kě）調支撐柱上裝鎖緊螺（luó）母並一同置於筒體中部柱（zhù）麵上的螺紋孔內，將橡膠保護帽套入可調支撐柱的另一端；B支撐盤（pán）的內錐孔與開口楔環的外錐麵配合並同時（shí）套入筒體的滑動部（bù）位；在A支撐盤與B支撐盤之間形成裝夾零件的工位；壓緊（jǐn）螺母置於筒體的螺紋上並壓緊開口楔環使其楔入B支撐盤與筒體滑動部位之間，使得B支撐盤（pán）與筒體滑動部位緊密聯接；橡膠保（bǎo）護帽（mào）既能（néng）起到支撐作用，又（yòu）能起（qǐ）到減振和保（bǎo）護工件表（biǎo）麵的作用。
圖片
圖2　夾具
1、3—M12螺釘　2—A支撐盤　4—筒體　5—橡膠保護帽　6—可調支撐（chēng）柱　
7—B支撐盤　8—M6螺釘　9－開口楔環　10－壓緊螺母
4  具體實施（shī）方式
1）首先對工件毛坯進行粗加工（gōng），保證形狀與零件相似，各尺寸留3mm餘量，加工完成後壁厚8mm。
2）進行一次時效（xiào）熱處（chù）理，充分釋放工件內應（yīng）力。
3）半精加工兩端法蘭以及內形基本成形且留有1mm餘量，端麵孔係加（jiā）工完成。
4）再進行一次時效熱處理，充分釋放工件內應力。
5）精加工工件的內形和兩端至工藝尺寸要求，加工完成時工件壁厚為5mm。
6）采用設計好的工裝夾具進行（háng）零件的全部外形加工，先將零（líng）件裝在（zài）夾具上，如圖（tú）3所示，將A支撐盤套入（rù）筒體，使其內止口與筒（tǒng）體夾緊端頭配合並用M12螺釘固定（夾（jiá）具左端壓板和工件的聯接見圖4），可調支（zhī）撐（chēng）柱（zhù）上裝鎖緊螺母（mǔ）並置於（yú）筒體中部柱麵上的螺紋孔（kǒng）內，初始狀態先將可（kě）調支撐（chēng）柱全部退回（huí）筒體內（nèi）腔，確保工件能順利裝入，將橡膠保護帽套入可調支撐柱的另一端，工（gōng）件從筒（tǒng）體右端裝入，使其小端法蘭麵止口（kǒu）與A支撐盤上的止（zhǐ）口配合，並通過M6螺釘3聯接；從筒體右端裝入B支（zhī）撐盤，使B支（zhī）撐盤（pán）上的止口與零件大端法蘭止口配合，通過（guò）M6螺（luó）釘10聯（lián）接，裝入開口楔環，使開口楔環（huán）的外錐麵與B支撐盤的內錐孔接觸，裝入壓緊螺母壓緊開口（kǒu）楔環，使得（dé）開口楔環楔入B支撐（chēng）盤（pán）與筒體之間，確保B支撐盤與（yǔ）筒（tǒng）體滑動部位緊密聯接（夾具右端（duān）壓板和工件的（de）聯接見圖5），從筒體內（nèi）腔調節可調支撐柱（zhù）（圓柱扳手插入可調支撐柱（zhù）的孔裏按順時針方向擰），從裏到外分層逐個將可調支撐柱調節至橡（xiàng）膠保護（hù）帽頂住工件內壁（bì），緊固力應均勻、可靠，既要保證橡膠保護帽對工件內壁有支撐力，又不能把（bǎ）工件頂變形（如果掌握不好力度（dù），可在調節支撐柱時壓表觀察（chá）），可調支撐柱（zhù）調整好後用鎖緊螺母鎖死。把裝（zhuāng）好（hǎo）工件的夾具左端裝在（zài）機床卡盤上（shàng），機床尾座頂盤頂住夾具右（yòu）端，加（jiā）工零件至最終尺寸。
圖片
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—橡膠保護帽　
7—可調支撐柱　8—鎖緊螺母　9—B支撐盤　11—開口（kǒu）楔環（huán）　12—壓緊螺母
圖4　夾具左端壓板和（hé）工件的聯接
圖5　夾（jiá）具右端壓板和（hé）工件的聯（lián）接
5  結束語
本文結合具體（tǐ）加工實例介紹了一種薄壁鋁合金殼體加工方案，重點介紹了一種能夠（gòu）同時實現裝夾（jiá）、定位以及支撐作用的工（gōng）裝夾具設計方法，完美解決了零件加工過程中（zhōng）的振顫、變（biàn）形問題，此加工方案保證了加工零件的尺寸、形（xíng）位以及表麵等各項工藝要求（qiú），具有很（hěn）強的操作性（xìng）和指導性，同時為類似零（líng）件的加工提（tí）供（gòng）了解決方案和加工經驗。
參考文獻：
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[5] 夏慶宏，張茜. 零件（jiàn）加工中的機床夾具設計作用[J].科（kē）技資訊，2017，15（17）：101+103.
本文發表於《金屬加工（冷加工（gōng））》2022年第12期（qī）第48~50頁，作者：山西平陽重工機械有限責任公（gōng）司　王永軍，畢永傑，原（yuán）標題：《薄壁鋁合金殼體（tǐ）零件加工（gōng）方法探究》。