摘要:总结影响薄壁壳体零件加工质量的主要要素，分析待加工薄壁壳体零件的结构，对其工艺方案进行改进，并优化工装夹具，结果装夹定位时间减少，操作者劳动强度降低，质量、效率和效益大幅提高。
关键词:薄壁壳体零件;数控加工工艺
薄壁壳体零件是指壁厚与内径曲率半径之比小于1∶20的零件。薄壁零件的共同特点是壁薄、强度低、抵抗变形能力差。图1所示为某薄壁壳体零件，其材料为高强度铝合金，密度为2.7g/cm3，属于轻合金，比模量高、结构性能好。高强度铝合金具有良好外观、韧性及塑性，经淬火、时效处理后，可使合金强化，具有高强度、高耐磨性、高温变形小等显著优点，因而广泛应用于军工及民用高精度薄壁零件的生产中。
1影响薄壁壳体零件加工质量因素分析
薄壁壳体零件尤其是高精度薄壁壳体零件的加工，工件废品率高及加工成本居高不下的问题，一直困扰着技术及加工操作人员。主要是存在着3个加工难点:(1)如何控制铝材料自身的变形;(2)如何确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径与装夹方法引起的应力变形。要提升薄壁零件加工精度，需要对影响加工质量的因素进行详细的分析，拟定出最佳改进优化方案。影响薄壁壳体零件加工质量的因素很多，主要有以下几点:(1)加工材料自身的影响。薄壁件易变形，加工来料自身的稳定性就显得特别重要。若材料自身稳定性不好，就会在加工阶段逐渐释放内应力而导致变形，甚至会将这种变形带到零件的使用过程中。同时，在实际生产中也要高度关注同型不同批的材料对零件加工质量产生的影响。(2)温度的影响。对于精度较高的薄壁壳体来说，温度对加工质量的影响也需考虑。尤其精加工阶段，受温度变化影响更大。温度变化不仅包括工件加工后自身温度的变化，还应包括环境温度变化，当然，工件加工后自身温度变化产生的影响要大一些。有试验表明:120mm基准孔刚加工后测得的尺寸与放置24h后测得的尺寸，相差0.02mm左右。这主要是工件自身温度变化引起的。试验也表明:环境温度每变化100℃，120mm基准孔尺寸大约变化0.01mm。因此，要把温度变化对工件加工和测量的影响考虑进去，保证工件最终的加工质量。(3)工件装夹的影响。因薄壁零件比较轻薄，当受到某种外力的作用时易出现变形，进而对其形状精度与尺寸精度产生相应影响。如在使用三爪卡盘夹紧薄壁零件的时候，零件将会在外力的压迫下变成三角形，致使内孔的加工余量分布不均;而当加工完内孔放松卡盘后，零件则会因弹性的恢复逐步转变成圆柱形，这一过程就会出现误差。(4)振动的影响。一般情况下，薄壁零件在受到切削力的作用特别是径向切削力时，会产生振动和变形现象，对零件的外形、尺寸、表面粗糙度以及位置精度等都会产生影响。(5)刀具角度的影响。主偏角决定径向切削力和零件加工轴向的分配，对于刚性较差的薄壁零件来说，刀具的主偏角要接近90°。刀具的角度直接影响零件表面的粗糙度。(6)操作不当导致薄壁零件变形。不规范的操作工序以及不正确的切屑流向也是导致薄壁零件变形的主要因素。精车之前没有进行变形释放、精车时过大的切削量都会引起薄壁零件的变形。当切屑流向不正确时，导致加工过程中的切屑堵塞在切削工具与零件之间，进而引发薄壁零件的变形。
2薄壁壳体零件加工工艺设计
待加工壳体如图1所示，内腔是所有零件、部件、器件的组合区域，有很高的尺寸精度和几何形状要求。外轮廓的凸台是系统组装的定位基准。确保尺寸精度、形位公差要求、避免不合理的加工路径与装夹方法引起的应力变形等是该零件工艺设计的关键内容。
2.1传统工艺方法
按照一般的工艺习惯，从棒料到粗加工都会选择图2所示的形式成形，安排热处理工序去除材料的内应力，稳定晶体组织，再进行半精加工和精加工成形。图2所示结构为进入半精加工阶段的装夹，若用弹性套三爪装夹，很容易在壳体径向留下装夹应力，引起成形后的圆度超差;若用心轴装夹，虽然避免了径向受力，但外形凸台的两端外圆及端面需要经过4次掉头装夹，加工方能完成(图3所示)，且定位基准转换、多次装夹，都会留下基准误差和定位装夹误差，不能保证最佳的同轴度和垂直度要求，后续也无法直观正确地验证装夹误差值，对精加工工序形位公差的保证留下不确定性，工装数量多，效率低下。
2.2优化改进后的工艺方法
原有工艺方法效率低，质量可靠性不稳定，改进优化工艺路径和装夹方法成为批量生产的必需。为达到使原来外形轮廓多次装夹加工变成一次装夹加工全部外形成形，在零件的粗加工阶段，预设后续半径加工的装夹部位———内孔轴向夹紧台阶，并控制相应的尺寸精度，如图4所示。借用内孔的夹紧部位，对完成粗加工、热处理的壳体轴向夹紧，且夹紧力大小不会引起后续变形，再利用数控车床，一次装夹精加工完成外轮廓的所有形状和总长尺寸，可获得最佳的同轴度小于0.001mm，垂直度小于0.0005mm和成形尺寸一致性，为最后高效、高精度加工建立了最佳的定位基准，如图5所示。数控车床加工保证了被加工部位尺寸的一致性，凸台两侧面与最大外圆的垂直度小于0.001mm，被后续用作精加工装夹，减少了定位基准安装误差，且始终以外圆凸台及凸台两侧面为后续各工序的定位和夹紧基准，避免了定位基准转换误差，凸台两端外圆可直接用千分表验证定位装夹的精度值，原始状态可追溯。对凸台上的螺孔，可先加工成光孔，兼作后续工序的角度定位，孔、槽、导线出口一次装夹加工完成，也保证了相互间的角度位置要求，孔、槽角度公差满足要求±2'，如图6所示。壳体内腔的4条圆弧槽可在普通铣床上加工，能保证尺寸、位置精度一致性，如图7所示。
2.3薄壁壳体工艺装备设计
工装设计的关键是确保工装在各工序、设备转换间的装夹精度。为此，利用高精度、上下重复定位精度小于0.002mm、90°转动安装角度误差小于2'的EROWA弹簧片，直接安装在工装上组成一体，在EROWA夹具体(卡盘)上加工工装和使用工装，最大限度地利用EROWA夹具体重复定位精度的特点。
2.4薄壁壳体零件关键形状的保证
后续的半精加工、精加工就用一套工装，有同轴度要求的要素稍留余量，如图8(a)所示。最后，完成精度最高的左右同轴度要求，一次装夹加工成形，同轴度小于0.002mm，如图8(b)所示。图8内孔孔、槽加工图先用内孔镗刀加工内孔两孔径、斜坡成形，再用内孔切槽刀切槽成形。此加工方法、路径设置对整个壳体零件加工只需要2套(4件)工艺装备，利用EROWA夹具体的高效重复定位精度、角度精度，可在各数控车床与普通铣床间任意切换，效率高，十分方便。
3结束语
实践表明:改进工艺设计、合理编制程序、优化工装夹具等措施，能很好地解决薄壁壳体零件变形和加工质量不高的问题，减少了装夹定位时间，减轻了操作人员的劳动强度，提高了质量、效率和效益。
作者：刘志刚 赵晓燕 单位：河南工业职业技术学院机械工程学院
