一种薄壁零件的工艺方法及工装设计

王珂

摘 要：壳体零件壁薄，型腔开放，材料去除率大于95%，加工极易产生变形，通过合理的工艺工程，合适的定位装夹方式，优化的加工参数及有效的工装，实现了对零件变形量的控制，保证了加工合格率。

关键词：工艺路线 工艺凸台 工装设计

1 零件分析

1.1 零件结构特点

壳体2使用原材料为牌号2A12的去应力状态（T351）铝板，其结构如图1所示，尺寸如图2所示，零件外轮廓尺寸长宽高为113×77×20，底面厚度1.8-3.8，侧壁厚度1.5，尺寸精度要求不高，正反两面均有加工内容，表面要求转化处理。

1.2 加工难点分析及解决方法

如图1图2所示，零件底面有型腔延伸至侧面开口，有缺口不完整，不适合直接用于定位，零件正面型腔凸台较多，侧壁薄，不适合设置可靠的压紧点，导致零件定位装夹不方便；零件结构底面侧壁薄，型腔开放，整体刚性较差，加工中易产生变形。

针对零件定位夹紧问题，通过补全定位面，合理设置夹紧用工艺凸台可以很好解决，具体方式如图3所示，底面向外延伸将零件型腔包含进去，形成一个完整的定位面，如图4所示，零件两侧及一个端面增加定位压紧用台阶，加工过程中大面压紧，实现可靠定位，保证压紧不对零件产生变形。

针对易变形问题，主要从以下方面来进行控制：根据零件结构特点，增加辅助支撑以增加加工时的刚性，如图4所示，增加侧壁厚度保证加工时的刚性，一侧端面开放释放变形，另一侧端面封闭抵抗变形；设置合理的夹紧点，避免装夹应力产生的变形，如图4所示两侧台阶及端面压紧；合理分配加工余量，分粗加工、半精加工，精加工来控制变形量；合理设置加工参数，尽量减小因切削力大产生的变形；在精加工前增加去应力时效工序或使用去应力材料等。

2 工艺规划

2.1 工艺路线的拟定

根据上述分析，为有效控制变形量，零件加工工艺过程需细分粗加工、半精加工和精加工，并尽量选择切削力小的加工方式，按此思路拟定工艺路线如下：

0工序下料：选用T351去应力状态铝板，并避免使用剪切下料方式，防止产生新的残余应力；5工序铣：铣六方，去大余量，出粗基准；10工序数控铣：加工开口型腔，去除大部分余量同时释放材料应力，加工两侧台阶做压紧点，零件外轮廓留大余量作辅助支撑，精加工上表面做精加工基准，使用不大于φ10立铣刀并控制切小于2；15工序钳：去10工序毛刺；20工序数控铣：加工背面内容，精加工两侧及型腔开口一侧端面做30工序基准；25工序钳：去20工序毛刺；30工序数控铣：加工型腔内部所有内容，使用≤φ8立铣刀并控制切深≤1；35工序钳：去30工序毛刺；40工序线切割：定位夾紧方式同30工序一致，按零件外轮廓切下零件，去掉辅助支撑部分和压紧凸台；45工序钳：去所有毛刺，局部倒角及攻丝；50工序检验：检验外观及尺寸；55工序转化处理；加工过程如图5所示：

2.2 加工方案

2.2.1 定位装夹

在上述工艺路线中，定位方式一致，均使用大面及两侧面完全定位，区别在于夹紧方式不同，10工序数铣虎钳夹紧两侧面；20工序数控铣在虎钳夹紧两侧面前，需要在开口一侧内腔塞堵头；30工序和40工序压紧方式一致，两侧台阶端面压紧，压板不高于零件需要加工的上表面，利于程序编制和走刀。

2.2.2 刀具选择

在上述数控铣工序中，为避免零件残余应力过大导致零件变形大，切削力要尽量小，不宜选择直径较大的刀具；型腔侧边内圆角R2.5最大，清根使用刀具直径不大于φ5，且切削刃应较短以免振刀甚至刀具折断；如图6所示零件部分高度2，需要倒角C0.5，倒角边缘离侧边凸台2，为保证倒角完整，倒角刀最大直径不大于φ3.5，为方便零件程序调试和加工，三角形倒角刀应把刀尖部分磨平成为梯形倒角刀。

3 工装设计

零件在30工序数控铣和40工序线切割加工中需要制作专门的工装用于定位压紧。在30工序中，零件一面已经加工完成，要保证零件合格，最优方案是保证30工序加工基准与20工序加工基准一致。20工序基准在零件上表面与型腔开口一侧表面及两侧面的中心面相交处，据此敲定30工序所用工装定位方式如图7所示：大面限制三个自由度，侧面限制两个自由度，销子限制一个自由度，从而实现零件完全定位。

在40工序线切割中，定位方式同30工序一致，区别在于线切割加工在切下零件的同时也会切开工装，需要考虑怎样重复使用工装，最终设计如图8所示：在零件切割起点处打上穿丝孔，让切割过程成为半封闭过程，当零件被完全切下时，工装被局部切开，但仍然是一体的；同时固定零件和毛坯，让切割过程无相对位移，保证过程平稳。

上述工装宽度方向尺寸按照零件宽度上差加工，，零件放置配合间隙最大0.1，当零件放不进或者间隙偏大，则上工序加工的零件尺寸大概率有问题，正常加工可能导致零件尺寸不合格，此方法一定程度保证了零件的合格率也保证了零件加工的一致性。

总结

按照上述方案，零件变形量控制在了理想范围内，零件尺寸合格，一致性在0.1以内，满足图纸要求，利于批量生产。

参考文献

[1] 孟少农.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1996..

[2] 付嘉宝.2024铝合金薄壁结构件加工变形控制[D] 南京：南京航空航天大学，2015.

[3] 徐飞飞.整体薄壁结构件残余应力预测与铣削加工变形研究[D] 大连：大连理工大学，2010

[4] 孙瑞宝 浅谈提高薄壁零件数控加工精度的工艺方法[J].科学论坛，2011.