高精密泵壳芯体加工工艺

白雪坤

成都剑涧优能航空设备制造有限公司 四川成都 610213

1 序言

圆形铝合金结构件常见于阀体类、泵体类和芯体类等零件，应用于军工、航天及高精密模具等领域。圆形铝合金结构件的最显著特点就是精度高且形状复杂，在材料选择上以2A12-T4铝合金居多，是一种常见材料，其机械加工性能良好，由于其最大的特点是易变形[1]，因此其加工难度显而易见。

2 泵壳芯体的结构特点及关键技术难点

2.1 结构特点

图1所示圆形铝合金结构件为动力装置中的泵壳芯体，结构如图2所示。该泵壳芯体为复杂的镂空结构件，且属于薄壁件。从输出精度上看，泵壳芯体是关键精密输出结构件；从装配结构上看，泵壳芯体是整套结构的装配载体。

图1 动力装置中的泵壳芯体

图2 泵壳芯体结构

2.2 关键技术难点

泵壳芯体关键尺寸精度如图3所示，工件上有多处几何公差要求，且精度在0.02mm。从产品结构上分析，局部实体连接部分壁厚仅为2.5mm，符合薄壁件结构特点；从加工工艺上分析，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。

图3 泵壳芯体关键尺寸精度

3 粗加工方案

3.1 第一次开粗

第一次开粗如图4所示。

图4 第一次开粗

实施方案：普通车床加工，自定心卡盘夹持毛坯，对原始圆形毛坯进行大余量开粗，工件单边留量0.5mm，保证整体几何公差精度＜0.1mm。

工艺分析如下。

1）去除大余量毛坯，使产品做初次应力释放。

2）粗车后工件的整体几何公差精度应＜0.1mm（含同轴度、垂直度和平面度），为后序定位加工做准备。

3.2 第二次开粗

（1）反面第二次粗加工 反面第二次粗加工如图5所示。

实施方案：用三轴加工中心加工，立式自定心卡盘装夹工件底部圆形毛坯。

1）对图5所示工件绿色区域进行二次开粗，单边留量0.5mm。

2）将图5所示工件红色区域凹槽加工到位（即最终产品此处区域加工到位，不留余量）。

图5 反面第二次粗加工

3）运用孔与孔之间的基准转换（见图6），将8个ST5（φ5.2mm）底孔转换为6个M4螺纹孔和2个φ4mm销孔。图6a中2处粉色孔为销孔，6处深蓝色孔为螺纹孔，尺寸精度转换如图6b、图6c所示。

图6 孔与孔之间的基准转换

4）图5中有孔的大平面见光即可，保证与各孔垂直。

工艺分析如下。

1）根据产品结构、尺寸精度分析得出图5红色区域为减重区域，因此加工到位，同时也满足产品内应力的二次释放。

2）在本工序孔与孔之间完成尺寸转换后，与大平面共同形成“一面两销”的经典装夹定位模式，为后序工装设计做准备[2]。

（2）正面第二次粗加工 正面第二次粗加工如图7所示。

图7 正面第二次粗加工

实施方案：五轴加工中心加工，专用工装装夹。

1）设计一面两销五轴正面铣削专用工装（见图8）。

图8 五轴正面铣削专用工装

2）图7所示工件绿色区域进行二次开粗，单边留量0.5mm。

3）图7所示工件红色区域凹槽加工到位（即最终产品此处区域加工到位，不留余量）。

工艺分析如下。

1）根据产品结构、尺寸精度分析得出图7所示红色区域为减重区域，因此加工到位，同时也满足产品内应力的二次释放。

2）工件属于镂空结构的薄壁件，应优先考虑让工件垂直方向受力，而不是径向受力，设计思路为：①定位面设计思路。结合上一工序，在孔与孔之间完成尺寸转换后，遵循一面两销装夹原则，图8a中绿色面为定位面，两处红色销钉限位[3]。②装夹方式设计思路。结合上一工序，在孔与孔之间完成尺寸转换后，设计4颗内六角圆柱头螺钉（图7中深蓝色零部件），反拉工件主体螺纹的装夹方式，考虑到本工序工件铣削余量较多，在工件最上端增加圆形盖板（图7a最上端黄色零部件），很好地起到稳定工件主体的作用。

4 时效处理

入炉温度：室温；升温速度：127℃/h；保温温度：（185±10）℃；保温时间：4～5h；降温速度：43℃/h；冷却方式：随炉冷却；出炉温度：室温。

工艺分析：①消除工件加工过程中的内应力。②稳定工件基体组织。

5 关键部位精加工方案

5.1 车床工序

实施方案：数控车床加工，设计专用工装装夹。

1）图9所示为自由状态下基准平面见光。车床镗软爪，轻夹蓝色外圆，端面贴紧，车削红色大面见光。

图9 自由状态下基准平面见光

2）图10所示为精车工件正面。专用工装装夹（与五轴正面铣削工装相同），精车工件所有内孔区域与外圆红色区域。

图10 精车工件正面

3）图11所示为反面车削工装。内孔配合专用心轴装夹（见图11a），打表复查上一工序已加工外圆及轴向圆跳动在0.01mm以内。图12所示为精车工件反面及燕尾槽。按图12装夹方式，精车外圆红色区域及燕尾槽至达到尺寸要求（图12绿色区域是燕尾槽）。

图11 反面车削工装

图12 精车工件反面及燕尾槽

4）根据燕尾槽尺寸精度要求（见图13），自制燕尾槽粗、精加工车刀（见图14），粗、精车削燕尾槽至达到尺寸要求，保证尺寸精度及表面粗糙度要求。

图13 燕尾槽尺寸精度要求

图14 自制燕尾槽粗、精加工车刀

工艺分析如下。

1）图9所示自由状态下基准平面见光，其实就是在修正热处理后的基准平面，属于本工序的关键点，看似简单的一个动作，实则暗藏玄机，例如，起初的工艺，在精车过程中没有修正基准平面工序，工件加工完成后，尺寸公差、几何公差出现超差现象，但是分析装夹方案却又是合理的，究其原因是忽略了铝合金材料的塑性变形。为了解决这一问题，反复试验后，得出一个结论，即在自由状态下加工基准平面。

工件的自由状态，就是有刚性条件支撑下的工件状态，通俗来讲，就是工件当前状态下本体强度好。因此，精度高的结构件，一定要在工件精加工前使工件具有刚性，为精加工前的工件创造刚性条件，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，基准面见光即可，这就是自由状态下修正基准平面的含义，这一点很重要。

如图9所示，工件内孔还没有精车之前，工件是存在一定刚性的，在此基础上加工基准面，这样的面才是平的，所以说这一工序十分关键。

2）根据产品结构特征，结合各工序基准统一原则，寻求设计工装的共性特点，最终完成精车工序专用工装的设计。该设计方案与五轴正面铣削工装设计方案完全相同，既简化了各工序工装繁多的现象，又能使工装之间存在可替代性。

3）根据产品燕尾槽结构，自制燕尾槽车刀，既保证了产品精度，也节省了刀具成本。

4）车削工件反面的专用心轴工装（见图11）的设计思路为：①遵循孔与轴的基准转换原理，心轴与工件内孔属于精密间隙配合方式。②在工装上增加一处长圆柱销，在起到防转作用的同时，更有利于工件与工装之间作用力的传输。

5.2 铣床工序

实施方案：五轴加工中心加工，专用工装装夹。

1）产品正面精加工如图15所示。专用工装装夹，精加工工件正面上标有红色标记的各圆孔、螺纹孔及内腔4处键槽至尺寸要求。

图15 产品正面精加工

2）设计五轴反面铣削专用工装（见图16），精加工工件反面（见图17）。

3）工件反面加工顺序：按图17a方式装夹工件，加工图17a、图17b中红色标记的8处螺纹孔、挂钩区域及挂钩内壁，期间程序暂停，按图17c所示卸下圆形压板，再加工工件端面红色区域至尺寸要求。

工艺分析如下。

1）反面铣削专用工装（见图16）装夹设计思路：①定位面设计思路。依然遵循一面两销装夹原则，图16a中两处绿色面为定位面，底部两处红色销钉限位。②装夹方式设计思路。根据工件螺钉位置，设计圆形花形压板（见图17a蓝色零部件），为防止精铣侧面挂钩振刀，增加中心圆形压板（见图17a上端黄色零部件）。

图16 五轴反面铣削专用工装

图17 产品反面精加工

2）工件反面精加工分两工步进行，主要原因在于工件反面挂钩悬伸过长，在没有圆形压板的情况下，挂钩区域发生振刀现象，表面粗糙度不达标。

3）最后一个工序铣床工序关键部位精加工，加工内容较少，不会对整体精度产生影响，更不会产生内应力，工件加工完成后，经检验满足图样要求。

6 结束语

圆形铝合金结构件泵壳芯体的整个工艺开发过程的技术关键点，主要体现在以下3个方面：①从圆形铝合金结构件的结构特点出发，着重考虑产品在装夹过程中的受力方向。②让工件在自然状态下装夹，消除工件基准平面的变形。③在产品加工过程中多次释放内应力。以上3个方面相辅相成，使高精度产品得以完成。

专家点评

文章针对泵壳芯体的结构特点及关键技术难点，制定完整的工艺方案，加工过程中着重考虑零件的装夹和受力方向，通过粗、精加工和时效处理多次释放内部应力，有效控制了产品变形。

文章内容丰富，结构完整，思路清晰，图文并茂。亮点是泵壳芯体关键部位的精加工，从实施方案到工艺分析，尤其是精车过程中一些容易忽略的细节都阐述得非常详细。通过专用工装设计、在自由状态下加工基准平面的方法，解决了铝合金材料的塑形变形难题，为类似薄壁镂空零件的加工提供了实用经验。