异形薄壁件精密蜗壳加工工艺
随着科技的不断进步，异形薄壁件在许多领域得到了广泛应用，如航空航天、汽车、电子等。然而，由于其形状复杂、壁薄易变形等特点，异形薄壁件的加工成为了一个具有挑战性的问题。特别是在精密蜗壳加工领域，对加工工艺的要求更为严格。
一、异形薄壁件精密蜗壳加工的难点
异形薄壁件精密蜗壳加工的难点主要表现在以下几个方面：
形状复杂：异形薄壁件通常具有复杂的几何形状，这给加工设备的设计和制造带来了很大的挑战。
壁薄易变形：由于异形薄壁件的壁很薄，加工过程中很容易发生变形，影响加工精度和质量。
材料硬度高：许多异形薄壁件采用高硬度材料制造，这使得加工难度进一步增加。
精度要求高：精密蜗壳在许多领域都有广泛应用，如航空发动机、燃气轮机等，因此对加工精度要求非常高。
二、异形薄壁件精密蜗壳加工工艺的探索与实践
为了解决异形薄壁件精密蜗壳加工的难点，许多企业和研究机构进行了大量的探索与实践。以下是一些主要的加工工艺方法：
数控机床加工：利用数控机床进行异形薄壁件精密蜗壳的加工是当前主流的方法。通过精确控制机床的切削参数和刀具路径，可以实现高精度的加工。
激光切割：激光切割是一种非接触式的加工方法，适用于各种材料和形状的异形薄壁件。激光功率密度高、速度快、精度高，可以大大提高加工效率和质量。
水切割：水切割利用高压水流对材料进行切割，具有切割精度高、表面质量好、无热影响等优点。特别适用于高硬度材料的异形薄壁件精密蜗壳加工。
超声波振动辅助加工：通过在切削过程中引入超声波振动，可以有效地减小切削力，降低工件变形和裂纹产生的风险。同时，超声波振动还可以提高切削效率和质量。
复合加工技术：将多种加工方法结合起来，形成复合加工技术，可以充分发挥各种方法的优势，提高异形薄壁件精密蜗壳的加工效率和质量。例如，将数控机床与激光切割技术相结合，可以实现高效、高精度的异形薄壁件精密蜗壳加工。
三、未来展望
随着科技的不断进步和创新，未来异形薄壁件精密蜗壳加工工艺将会朝着更加高效、高精度、智能化的方向发展。以下是一些可能的未来发展趋势：
智能化加工：通过引入人工智能和机器学习技术，实现异形薄壁件精密蜗壳加工过程的智能化控制和管理。通过实时监测和调整加工参数，提高加工效率和产品质量。
高速切削技术：采用更高速度的切削技术，可以进一步提高异形薄壁件精密蜗壳的加工效率和质量。同时，高速切削还可以减小切削力和切削热的影响，提高工件的加工精度和表面质量。
多轴联动技术：通过引入多轴联动技术，可以实现异形薄壁件精密蜗壳的多轴协同加工。这将大大提高加工效率和精度，降低工件的变形风险。
绿色制造技术：随着环保意识的不断提高，绿色制造技术将成为未来异形薄壁件精密蜗壳加工的重要发展方向。通过采用环保材料、优化工艺流程和降低能耗等方式，实现异形薄壁件精密蜗壳的绿色制造。
以动力装置中的铝合金异形结构件蜗壳为例，针对薄壁、镂空的结构特点及关键技术难点进行工艺分析并制定完整的工艺方案，通过粗、精加工和时效处理，在产品加工过程中多次释放内应力，在保证产品精度的同时，有效控制了产品变形。
1序言
铝合金异形结构件常用于军工、航天和高精密加工http://www.artisan-tek.com/模具等领域，其最显著的特点是精度高且形状复杂，在材料的选择上以2A12-T4铝合金居多。2A12-T4铝合金的机械加工性能良好，由于其最大的特点是易变形[1]，因此其异形结构件的加工难度大。下面以动力装置中的铝合金异形结构件蜗壳为例，探讨其加工方法。
2结构特点及关键技术难点
2.1结构特点
案例1所示蜗壳为复杂的异形结构件，且属于镂空薄壁件，蜗壳结构如案例2所示。从产品精度上看，蜗壳为关键精密输出结构件；从装配结构上看，蜗壳为整套结构的装配载体。
a）正视
b）侧视
案例1蜗壳
a）正面b）反面
c）侧视d）仰视
e）俯视
案例2蜗壳结构
2.2关键技术难点
（1）依据设计案例样分析蜗壳关键尺寸精度如案例3所示，有多处几何公差要求。
a）主视案例
b）俯视案例
c）剖视案例
案例3蜗壳关键尺寸精度
（2）从材料方面分析2A12-T4铝合金的机械加工性能良好，其最大的特点是易变形。
（3）从产品结构方面分析局部实体连接部分壁厚仅1～1.5mm，符合薄壁件结构特点。
（4）从加工工艺方面分析在保证产品精度的同时，如何控制产品的变形显得尤为重要。
3毛坯制造及装夹方案
3.1异形件假体毛坯的制造
异形件假体毛坯方案模型如案例4所示，其中绿色为工件，黄色圆形为假体毛坯。假体毛坯设计思路如下。
a）正视案例b）侧视案例c）俯视案例
案例4异形件假体毛坯方案模型
（1）从工件的外形形状分析设计假体毛坯时，一般优先考虑方形毛坯和圆形毛坯。因为方形毛坯方便虎钳装夹，圆形毛坯方便自定心卡盘装夹，而蜗壳的外形形状更贴近于圆形，所以初步确定为圆形假体毛坯。
（2）从加工手段上分析根据工件的结构组成，需要五轴加工中心配合完成加工，在五轴多工位旋转过程中，圆形假体毛坯更适合旋转轴的摆角方式。
（3）从加工刀具的悬伸长度分析以工件中心为出发点，相对于方形毛坯刀具悬伸的不均匀性，圆形毛坯为等半径加工，刀具的悬伸长度不会出现或长或短现象。
综上所述，从加工工件部位最大化的原则出发，重点考虑工件加工过程中的刚性，最终确定假体毛坯方案，用圆形毛坯增大底部定位基准面，高度与底部小凸台上平面平齐。
3.2装夹方案的制定
在假体毛坯的合适位置上，设计2处φ10mm红色销孔（见案例5）、4处M5紫色螺纹孔和5处φ4.2mm蓝色圆形通孔。装夹方案制定思路如下。
案例5基准孔和锁紧孔
1）增加2处红色φ10mm销孔的目的，是与黄色假体大平面共同形成“一面两销”的经典装夹定位模式，为后序工装设计做准备，同时要求各工序工装设计应遵循加工基准统一原则[2]。
2）增加4处M5紫色螺纹孔的目的，是可以通过螺钉反向拉紧的方式固定工件本体，为后序工装设计做准备。
3）增加5处φ4.2mm蓝色圆形通孔的目的，是可以通过螺钉正向锁紧的方式固定工件本体，为后序工装设计做准备。
综上所述，装夹方案已经确定，工艺方案将以此展开。
4粗加工方案
4.1反面第一次粗加工反面第一次粗加工如案例6所示。采用三轴加工中心加工，虎钳装夹。
a）反面粗加工区域b）反面开粗后的仿真效果
案例6反面第一次粗加工
1）虎钳装夹毛坯底部平行夹位，对原始圆形毛坯进行大余量开粗。
2）顶端大平面留0.5mm余量，加工各处销孔、螺纹孔和圆形通孔至达到零件尺寸要求。
3）工件绿色区域单边留0.3mm余量。
工艺分析：①去除工件反面大余量毛坯，使产品反面做初次应力释放。②由于案例6a绿色区域因为有假体毛坯的辅助，具有一定的强度，所以单边可以少留一点余量，单边留0.3mm余量。
4.2正面第一次粗加工
正面第一次粗加工采用三轴加工中心加工。正面专用工装设计如案例7所示。正面第一次粗加工如案例8所示，粗加工所有绿色区域，单边留0.5mm余量。
a）工件内部剖视案例b）正面工装三维案例c）正面工装实物
案例7正面专用工装设计
a）正面粗加工区域b）正面开粗后的仿真效果
案例8正面第一次粗加工
工艺分析：①去除正面大余量毛坯，使产品正面做初次应力释放。②用三轴加工中心去除毛坯余量，目的在于为后序五轴加工减轻质量和节省五轴加工时间。
正面专用工装设计思路如下。
1）定位面设计。遵循一面两销的装夹原则，如案例7b所示，绿色面为定位面，两处红色销钉用于限位。
2）工装排屑设计。如案例7a所示，由于工件内部凹腔结构特殊，在使用T形刀加工内部凹腔过程中，必然会产生大量切屑，随着切屑的增多，在切屑没有顺利排出的情况下，很有可能闷断T形刀，因此，在工装上设计两处紫色贯穿孔（见案例7b），方便切屑的排出与下沉。
3）装夹方式设计。根据工件假体上4处M5螺纹孔位置，对应设计工装锁紧位置，用4颗M5内六角圆柱头螺钉反向拉紧工件，从而固定工件。案例8a中4个蓝色零部件为M5内六角圆柱头螺钉。
4.3正面第二次粗加工
正面第二次粗加工如案例9所示，采用五轴加工中心加工，专用工装装夹。如案例9a、案例9b所示，对工件所有红色区域进行二次加工，单边留0.3mm余量；将工件所有绿色区域加工到位（即最终产品此处区域加工到位，不留余量）[3]。加工仿真效果如案例9c、案例9d所示。
a）正面加工区域b）旋转180°视角的加工区域
c）加工仿真效果d）旋转180°视角的仿真效果
案例9正面第二次粗加工
工艺分析：由于根据产品结构和尺寸精度分析，得出案例9a、案例9b中绿色区域为减重区域，因此加工到位，同时也使产品正面内应力得到二次释放。
5时效处理
为了消除工件加工过程中的内应力，稳定工件基体组织，对工件进行时效处理。入炉温度为室温，升温速度为127℃/h，保温温度为（185±10）℃，保温时间为4～5h，降温速度为43℃/h，冷却方式为随炉冷却，出炉温度为室温。
6关键部位精加工方案
6.1基准面的修正
（1）反面基准面修正（见案例10）设计软爪钳口专用工装如案例10b所示。采用三轴加工中心加工，虎钳配合专用工装装夹，轻夹工件最大外圆，加工红色大面见光即可。在自由状态下，基准平面见光。
a）加工区域b）软爪钳口工装c）装夹示意
案例10反面基准面修正
工艺分析：本工序其实就是修正热处理后的基准平面。工件的自由状态，是有刚性条件支撑下的状态，通俗来讲，就是工件在当前状态下本体强度好。精度高的结构件，一定要在精加工前使工件具有刚性。要为精加工前的工件制造刚性条件，在刚性条件支撑下，再来修正基准平面，而且修正量一定要少，基准平面见光即可。这就是在自由状态下，修正基准平面的含义。由于工件在去除圆形假体毛坯之前，是存在一定刚性的，在此基础上修正基准面，这样的面才是平的，所以说这一工序十分关键。
软爪钳口专用工装（见案例10b）的设计思路如下。
1）设计的出发点。既然是自由状态下修正基准平面，那么工件只允许径向受力，不允许垂直方向受力，因为垂直方向受力会使工件出现弹性变形。
2）定位面的设计。如案例10b所示，3处红色小面为工件定位面，模拟点接触方式支撑工件，有效避免面与面接触的不确定因素。因为是基准面的修正，工件底面重点在于支撑，而不是重在贴合，特别是热处理后的工件定位面，所以，此处点接触定位面的设计方式为基准面修复的又一关键点。
3）装夹方式设计。如案例10c所示，模仿车床装夹方式，为工件假体外圆设计软爪工装，嵌入式包夹工件外圆。
（2）正面基准面修正及各孔精加工（见案例11）采用五轴加工中心加工，专用工装装夹，加工工件正面标记的红色大面和两处紫色面，见光即可，保证面与面之间的距离公差±0.02mm。精加工工件正面红色标记的各圆孔、螺纹孔及侧面贯穿孔至成品尺寸。
案例11正面基准面修正及各孔精加工
工艺分析如下。
1）正面基准面的修正。①因为工件反面基准面在自然状态下修正后，消除了面的弹性变形，所以在修正正面基准面时，是允许垂直方向受力的，如案例11所示，反面基准面贴紧工装，反向螺钉拉紧工件即可。②修正正面基准面的作用是为后序工装的设计做准备，保证定位面的一致性。如案例11所示，确定选取其中红色大面与最上面的紫色面为工装定位面。③为什么要修正中间的紫色面。假设后工序工件的圆形假体毛坯去除后，出现了反面基准面的二次变形，且造成后工序无法连接，这时就需要两处紫色面作为定位面，结合工装对反面基准面做二次修正，意义在于为工艺方案本身做预案，应对产品变形的不确定性。这一点也很重要。
2）反面基准面修正后，且热处理后的工件主体状态良好，可以加工工件各处圆孔、螺纹孔至成品尺寸，而且孔的加工不会影响正面基准面的修复。
6.2反面精加工
反面精加工专用工装设计如案例12所示。三轴加工中心加工，专用工装装夹。工件反面精加工如案例13所示，先用6颗M5内六角圆柱头螺钉装夹，精加工工件红色区域，用挖腔的方式加工红色区域内的平面、台阶面、凹腔及各圆孔至成品尺寸；然后程序暂停，如案例13b所示，内腔红色区域内增加圆形压板和内六角圆柱头螺钉装夹，加工绿色区域至成品尺寸；最后用落料（切断铣）的方式加工工件最大外形侧面（见案例13c），使用φ2mm立铣刀加工外形至成品尺寸，去除假体毛坯。
a）工装定位面及限位销b）工装实体
c）装夹示意
案例12反面精加工专用工装设计
a）精加工红色平面及凹腔b）精加工绿色凹槽
c）精加工工件外形
案例13反面精加工
工艺分析如下。
1）反面精加工专用工装设计思路。①定位面设计思路。依然遵循工序基准统一的装夹原则，如案例12a所示，两处绿色面为定位面，两个红色销钉用于限位。②装夹方式设计思路。根据工件圆形假体毛坯的圆孔位置，设计6颗内六角圆柱头螺钉（见案例13a中6个蓝色零部件），锁紧工件外部。为防止工件外形落料锯断时发生移动，根据产品本身结构，寻找合适孔位，增加4颗内六角圆柱头螺钉和1处圆形压板（见案例13c工件内部5个蓝色零部件），锁紧工件内部。
2）从产品精加工余量分布情况看，如案例13b所示，工件的红色区域单边余量只有0.3mm，绿色区域也只是做局部清根处理，由于加工内容较少，并未发生大余量切削，不会产生过多内应力，对工件整体精度也不会造成影响，因此本工序可以全部加工到位。
3）重点分析落料加工及加工效果。①用类似铣槽的方法使工件从毛坯上脱落下来，一般底面留0.1～0.15mm余量。落料加工的意义是避免局部大余量铣削加工造成工件因为内应力集中而导致最终变形。落料加工常用于外形、内腔及内孔有较大的材料去除的时候。②如案例13c所示，用落料的方法去除工件的假体毛坯，加工内容较少，不会产生过多热应力。③工件去除假体毛坯后，测量反面基准平面变形量为0.016mm，而案例样要求的平面度为0.03mm，符合案例样要求，可进行后工序加工。
6.3正面精加工
产品正面精加工如案例14所示。五轴加工中心加工，设计正面精加工专用工装装夹。如案例14c所示，精加工工件正面上有红色标记的各平面、外圆、台阶面及4处小圆孔至成品尺寸。
a）工装定位面及限位销b）装夹示意
c）正面精加工区域
案例14正面精加工
工艺分析如下。
1）正面精加工专用工装设计思路。①定位面设计思路。依然遵循一面两销装夹原则，如案例14a所示，绿色面为定位面，两处红色销钉用于限位。②装夹方式设计思路。根据工件底部有多处凸耳的结构特点，如案例14b所示，采用多压板装夹工件底部凸耳的方式。
2）如案例14c所示，工件上各处红色区域单边余量只有0.3mm，加工内容较少，不会产生过多内应力，对工件整体精度也不会造成影响，本工序可以全部加工到位。
7结束语
异形件精密蜗壳按照上述工艺方案加工完成后，严格按照案例样要求检测，检测结果符合案例样要求。
铝合金异形结构件蜗壳的整个工艺开发过程，技术关键点主要体现在4个方面：①从铝合金异形结构件的结构特点出发，建立合理且规则的假体毛坯，利用假体毛坯转化成工件的定位装夹基准，方便后序的装夹。②着重考虑产品在装夹过程中的受力方向，遵循基准统一的原则设计工装。③让工件在自由状态下装夹，消除工件基准平面的变形。④在产品加工过程中，多次释放内应力。4个方面相辅相成，使高精密异形件产品得以完成。
专家点评
本例中蜗壳零件壁薄、镂空且形状复杂，作者针对零件的结构特点及关键技术难点进行工艺分析并制定完整的工艺方案，从4个方面采取工艺改进措施，建立假体毛坯并遵循基准统一的原则设计工装，在自由状态下装夹工件，并在加工过程中多次释放内部应力，在保证产品精度的同时有效控制了变形。
文章内容严谨，论据充分，建模清晰，案例文并茂，亮点是关键部位精加工方案，在工件自由状态下修正基准平面，消除变形误差。结尾部分也总结概括得很好，融会贯通，简明扼要。
参考文献：
[1]曾正明.机械工程材料手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]余光国，马俊.机床夹具设计[M].重庆：重庆大学出版社，1995.
[3]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].3版.北京：机械工业出版社，2009.
本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第12期第22~27页，作者：成都剑涧优能航空设备制造有限公司白雪坤，原标题：《异形薄壁件精密蜗壳加工工艺》。
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