機(jī)械工程師論文薄壁殼體零件數(shù)控加工工藝研究

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

　　摘要:總結(jié)影響薄壁殼體零件加工質(zhì)量的主要要素，分析待加工薄壁殼體零件的結(jié)構(gòu)，對(duì)其工藝方案進(jìn)行改進(jìn)，并優(yōu)化工裝夾具，結(jié)果裝夾定位時(shí)間減少，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度降低，質(zhì)量、效率和效益大幅提高。

　　關(guān)鍵詞:薄壁殼體零件,數(shù)控加工工藝

　　薄壁殼體零件是指壁厚與內(nèi)徑曲率半徑之比小于1∶20的零件。薄壁零件的共同特點(diǎn)是壁薄、強(qiáng)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(qiáng)度鋁合金，密度為2.7g/cm3，屬于輕合金，比模量高、結(jié)構(gòu)性能好。高強(qiáng)度鋁合金具有良好外觀、韌性及塑性，經(jīng)淬火、時(shí)效處理后，可使合金強(qiáng)化，具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高溫變形小等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍工及民用高精度薄壁零件的生產(chǎn)中。

　　1影響薄壁殼體零件加工質(zhì)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(shù)及加工操作人員。主要是存在著3個(gè)加工難點(diǎn):(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(yīng)力變形。要提升薄壁零件加工精度，需要對(duì)影響加工質(zhì)量的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，擬定出最佳改進(jìn)優(yōu)化方案。影響薄壁殼體零件加工質(zhì)量的因素很多，主要有以下幾點(diǎn):(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(huì)在加工階段逐漸釋放內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致變形，甚至?xí)⑦@種變形帶到零件的使用過程中。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中也要高度關(guān)注同型不同批的材料對(duì)零件加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響。(2)溫度的影響。對(duì)于精度較高的薄壁殼體來說，溫度對(duì)加工質(zhì)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(yīng)包括環(huán)境溫度變化，當(dāng)然，工件加工后自身溫度變化產(chǎn)生的影響要大一些。有試驗(yàn)表明:120mm基準(zhǔn)孔剛加工后測(cè)得的尺寸與放置24h后測(cè)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(yàn)也表明:環(huán)境溫度每變化100℃，120mm基準(zhǔn)孔尺寸大約變化0.01mm。因此，要把溫度變化對(duì)工件加工和測(cè)量的影響考慮進(jìn)去，保證工件最終的加工質(zhì)量。(3)工件裝夾的影響。因薄壁零件比較輕薄，當(dāng)受到某種外力的作用時(shí)易出現(xiàn)變形，進(jìn)而對(duì)其形狀精度與尺寸精度產(chǎn)生相應(yīng)影響。如在使用三爪卡盤夾緊薄壁零件的時(shí)候，零件將會(huì)在外力的壓迫下變成三角形，致使內(nèi)孔的加工余量分布不均;而當(dāng)加工完內(nèi)孔放松卡盤后，零件則會(huì)因彈性的恢復(fù)逐步轉(zhuǎn)變成圓柱形，這一過程就會(huì)出現(xiàn)誤差。(4)振動(dòng)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和變形現(xiàn)象，對(duì)零件的外形、尺寸、表面粗糙度以及位置精度等都會(huì)產(chǎn)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(duì)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(dāng)導(dǎo)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(dǎo)致薄壁零件變形的主要因素。精車之前沒有進(jìn)行變形釋放、精車時(shí)過大的切削量都會(huì)引起薄壁零件的變形。當(dāng)切屑流向不正確時(shí)，導(dǎo)致加工過程中的切屑堵塞在切削工具與零件之間，進(jìn)而引發(fā)薄壁零件的變形。

　　2薄壁殼體零件加工工藝設(shè)計(jì)

　　待加工殼體如圖1所示，內(nèi)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(tái)是系統(tǒng)組裝的定位基準(zhǔn)。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(yīng)力變形等是該零件工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

　　2.1傳統(tǒng)工藝方法

　　按照一般的工藝習(xí)慣，從棒料到粗加工都會(huì)選擇圖2所示的形式成形，安排熱處理工序去除材料的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定晶體組織，再進(jìn)行半精加工和精加工成形。圖2所示結(jié)構(gòu)為進(jìn)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(yīng)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(tái)的兩端外圓及端面需要經(jīng)過4次掉頭裝夾，加工方能完成(圖3所示)，且定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、多次裝夾，都會(huì)留下基準(zhǔn)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(yàn)證裝夾誤差值，對(duì)精加工工序形位公差的保證留下不確定性，工裝數(shù)量多，效率低下。

　　2.2優(yōu)化改進(jìn)后的工藝方法

　　原有工藝方法效率低，質(zhì)量可靠性不穩(wěn)定，改進(jìn)優(yōu)化工藝路徑和裝夾方法成為批量生產(chǎn)的必需。為達(dá)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(yù)設(shè)后續(xù)半徑加工的裝夾部位———內(nèi)孔軸向夾緊臺(tái)階，并控制相應(yīng)的尺寸精度，如圖4所示。借用內(nèi)孔的夾緊部位，對(duì)完成粗加工、熱處理的殼體軸向夾緊，且夾緊力大小不會(huì)引起后續(xù)變形，再利用數(shù)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(zhǔn)，如圖5所示。數(shù)控車床加工保證了被加工部位尺寸的一致性，凸臺(tái)兩側(cè)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(zhǔn)安裝誤差，且始終以外圓凸臺(tái)及凸臺(tái)兩側(cè)面為后續(xù)各工序的定位和夾緊基準(zhǔn)，避免了定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差，凸臺(tái)兩端外圓可直接用千分表驗(yàn)證定位裝夾的精度值，原始狀態(tài)可追溯。對(duì)凸臺(tái)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(dǎo)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(nèi)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(shè)計(jì)

　　工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保工裝在各工序、設(shè)備轉(zhuǎn)換間的裝夾精度。為此，利用高精度、上下重復(fù)定位精度小于0.002mm、90°轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)定位精度的特點(diǎn)。

　　2.4薄壁殼體零件關(guān)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(nèi)孔孔、槽加工圖先用內(nèi)孔鏜刀加工內(nèi)孔兩孔徑、斜坡成形，再用內(nèi)孔切槽刀切槽成形。此加工方法、路徑設(shè)置對(duì)整個(gè)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(fù)定位精度、角度精度，可在各數(shù)控車床與普通銑床間任意切換，效率高，十分方便。

　　3結(jié)束語

　　實(shí)踐表明:改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)、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(zhì)量不高的問題，減少了裝夾定位時(shí)間，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了質(zhì)量、效率和效益。
　　機(jī)械工程論文投稿期刊推薦：《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》（半月刊）創(chuàng)刊于1953年，是由中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦、機(jī)械工業(yè)信息研究院承辦的機(jī)械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。本刊是中國機(jī)械工程領(lǐng)域的頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物，主要報(bào)道機(jī)械工程領(lǐng)域及其交叉學(xué)科、新興學(xué)科、邊緣學(xué)科等領(lǐng)域具有創(chuàng)新性及重要意義的前沿基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的最新科研成果。本刊已經(jīng)被美國工程索引（Ei）、美國化學(xué)文摘（CA）、英國科學(xué)文摘（SA）、日本科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)和俄羅斯文摘雜志（AJ）等幾大國際檢索系統(tǒng)及美國《金屬文摘》、《鋁文摘》和《工程材料文摘》收錄，被Ei的收錄率近幾年一直保持在99％以上；在國內(nèi)被《中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫》、《中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊》（中國科技核心期刊）、《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫》以及《中國機(jī)械工程文摘》收錄。本刊還加入了“中國期刊網(wǎng)”全文數(shù)據(jù)庫和“萬方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群”。