機械工程師論文薄壁殼體零件數控加工工藝研究

　　在機械工程中用到的零件是很多的，不同的機械用到的零件也不相同，而且每個零件的作用都是很大的，缺少任何一個零件都會影響整個機械的運行。本文是一篇機械工程師論文，主要論述了薄壁殼體零件數控加工工藝研究。

　　摘要:總結影響薄壁殼體零件加工質量的主要要素，分析待加工薄壁殼體零件的結構，對其工藝方案進行改進，并優(yōu)化工裝夾具，結果裝夾定位時間減少，操作者勞動強度降低，質量、效率和效益大幅提高。

　　關鍵詞:薄壁殼體零件,數控加工工藝

　　薄壁殼體零件是指壁厚與內徑曲率半徑之比小于1∶20的零件。薄壁零件的共同特點是壁薄、強度低、抵抗變形能力差。圖1所示為某薄壁殼體零件，其材料為高強度鋁合金，密度為2.7g/cm3，屬于輕合金，比模量高、結構性能好。高強度鋁合金具有良好外觀、韌性及塑性，經淬火、時效處理后，可使合金強化，具有高強度、高耐磨性、高溫變形小等顯著優(yōu)點，因而廣泛應用于軍工及民用高精度薄壁零件的生產中。

　　1影響薄壁殼體零件加工質量因素分析

　　薄壁殼體零件尤其是高精度薄壁殼體零件的加工，工件廢品率高及加工成本居高不下的問題，一直困擾著技術及加工操作人員。主要是存在著3個加工難點:(1)如何控制鋁材料自身的變形;(2)如何確保工件的尺寸精度及形位公差要求;(3)如何避免不合理的加工路徑與裝夾方法引起的應力變形。要提升薄壁零件加工精度，需要對影響加工質量的因素進行詳細的分析，擬定出最佳改進優(yōu)化方案。影響薄壁殼體零件加工質量的因素很多，主要有以下幾點:(1)加工材料自身的影響。薄壁件易變形，加工來料自身的穩(wěn)定性就顯得特別重要。若材料自身穩(wěn)定性不好，就會在加工階段逐漸釋放內應力而導致變形，甚至會將這種變形帶到零件的使用過程中。同時，在實際生產中也要高度關注同型不同批的材料對零件加工質量產生的影響。(2)溫度的影響。對于精度較高的薄壁殼體來說，溫度對加工質量的影響也需考慮。尤其精加工階段，受溫度變化影響更大。溫度變化不僅包括工件加工后自身溫度的變化，還應包括環(huán)境溫度變化，當然，工件加工后自身溫度變化產生的影響要大一些。有試驗表明:120mm基準孔剛加工后測得的尺寸與放置24h后測得的尺寸，相差0.02mm左右。這主要是工件自身溫度變化引起的。試驗也表明:環(huán)境溫度每變化100℃，120mm基準孔尺寸大約變化0.01mm。因此，要把溫度變化對工件加工和測量的影響考慮進去，保證工件最終的加工質量。(3)工件裝夾的影響。因薄壁零件比較輕薄，當受到某種外力的作用時易出現變形，進而對其形狀精度與尺寸精度產生相應影響。如在使用三爪卡盤夾緊薄壁零件的時候，零件將會在外力的壓迫下變成三角形，致使內孔的加工余量分布不均;而當加工完內孔放松卡盤后，零件則會因彈性的恢復逐步轉變成圓柱形，這一過程就會出現誤差。(4)振動的影響。一般情況下，薄壁零件在受到切削力的作用特別是徑向切削力時，會產生振動和變形現象，對零件的外形、尺寸、表面粗糙度以及位置精度等都會產生影響。(5)刀具角度的影響。主偏角決定徑向切削力和零件加工軸向的分配，對于剛性較差的薄壁零件來說，刀具的主偏角要接近90°。刀具的角度直接影響零件表面的粗糙度。(6)操作不當導致薄壁零件變形。不規(guī)范的操作工序以及不正確的切屑流向也是導致薄壁零件變形的主要因素。精車之前沒有進行變形釋放、精車時過大的切削量都會引起薄壁零件的變形。當切屑流向不正確時，導致加工過程中的切屑堵塞在切削工具與零件之間，進而引發(fā)薄壁零件的變形。

　　2薄壁殼體零件加工工藝設計

　　待加工殼體如圖1所示，內腔是所有零件、部件、器件的組合區(qū)域，有很高的尺寸精度和幾何形狀要求。外輪廓的凸臺是系統組裝的定位基準。確保尺寸精度、形位公差要求、避免不合理的加工路徑與裝夾方法引起的應力變形等是該零件工藝設計的關鍵內容。

　　2.1傳統工藝方法

　　按照一般的工藝習慣，從棒料到粗加工都會選擇圖2所示的形式成形，安排熱處理工序去除材料的內應力，穩(wěn)定晶體組織，再進行半精加工和精加工成形。圖2所示結構為進入半精加工階段的裝夾，若用彈性套三爪裝夾，很容易在殼體徑向留下裝夾應力，引起成形后的圓度超差;若用心軸裝夾，雖然避免了徑向受力，但外形凸臺的兩端外圓及端面需要經過4次掉頭裝夾，加工方能完成(圖3所示)，且定位基準轉換、多次裝夾，都會留下基準誤差和定位裝夾誤差，不能保證最佳的同軸度和垂直度要求，后續(xù)也無法直觀正確地驗證裝夾誤差值，對精加工工序形位公差的保證留下不確定性，工裝數量多，效率低下。

　　2.2優(yōu)化改進后的工藝方法

　　原有工藝方法效率低，質量可靠性不穩(wěn)定，改進優(yōu)化工藝路徑和裝夾方法成為批量生產的必需。為達到使原來外形輪廓多次裝夾加工變成一次裝夾加工全部外形成形，在零件的粗加工階段，預設后續(xù)半徑加工的裝夾部位———內孔軸向夾緊臺階，并控制相應的尺寸精度，如圖4所示。借用內孔的夾緊部位，對完成粗加工、熱處理的殼體軸向夾緊，且夾緊力大小不會引起后續(xù)變形，再利用數控車床，一次裝夾精加工完成外輪廓的所有形狀和總長尺寸，可獲得最佳的同軸度小于0.001mm，垂直度小于0.0005mm和成形尺寸一致性，為最后高效、高精度加工建立了最佳的定位基準，如圖5所示。數控車床加工保證了被加工部位尺寸的一致性，凸臺兩側面與最大外圓的垂直度小于0.001mm，被后續(xù)用作精加工裝夾，減少了定位基準安裝誤差，且始終以外圓凸臺及凸臺兩側面為后續(xù)各工序的定位和夾緊基準，避免了定位基準轉換誤差，凸臺兩端外圓可直接用千分表驗證定位裝夾的精度值，原始狀態(tài)可追溯。對凸臺上的螺孔，可先加工成光孔，兼作后續(xù)工序的角度定位，孔、槽、導線出口一次裝夾加工完成，也保證了相互間的角度位置要求，孔、槽角度公差滿足要求±2'，如圖6所示。殼體內腔的4條圓弧槽可在普通銑床上加工，能保證尺寸、位置精度一致性，如圖7所示。

　　2.3薄壁殼體工藝裝備設計

　　工裝設計的關鍵是確保工裝在各工序、設備轉換間的裝夾精度。為此，利用高精度、上下重復定位精度小于0.002mm、90°轉動安裝角度誤差小于2'的EROWA彈簧片，直接安裝在工裝上組成一體，在EROWA夾具體(卡盤)上加工工裝和使用工裝，最大限度地利用EROWA夾具體重復定位精度的特點。

　　2.4薄壁殼體零件關鍵形狀的保證

　　后續(xù)的半精加工、精加工就用一套工裝，有同軸度要求的要素稍留余量，如圖8(a)所示。最后，完成精度最高的左右同軸度要求，一次裝夾加工成形，同軸度小于0.002mm，如圖8(b)所示。圖8內孔孔、槽加工圖先用內孔鏜刀加工內孔兩孔徑、斜坡成形，再用內孔切槽刀切槽成形。此加工方法、路徑設置對整個殼體零件加工只需要2套(4件)工藝裝備，利用EROWA夾具體的高效重復定位精度、角度精度，可在各數控車床與普通銑床間任意切換，效率高，十分方便。

　　3結束語

　　實踐表明:改進工藝設計、合理編制程序、優(yōu)化工裝夾具等措施，能很好地解決薄壁殼體零件變形和加工質量不高的問題，減少了裝夾定位時間，減輕了操作人員的勞動強度，提高了質量、效率和效益。
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