異形薄壁件精（jīng）密蝸殼加工工藝
隨著科技的不斷（duàn）進（jìn）步（bù），異形薄壁件（jiàn）在許多領域得到了廣泛應用，如航（háng）空航天、汽車、電子等。然而，由於其形狀複雜、壁薄易變形等特點，異形薄壁（bì）件的加工成為了一個具有挑戰性的問（wèn）題。特別是在精密蝸殼加工領（lǐng）域，對加工工藝的要求更為嚴格。
一、異（yì）形薄壁件精密蝸殼加工的難點
異形薄壁件精密蝸殼加工的難點主要表現在以下幾個方麵：
形狀複雜：異形薄壁件通常具有複雜的幾何形狀（zhuàng），這給加工設備的設計和製造帶來了很大的挑戰。
壁薄易（yì）變形：由於異形薄（báo）壁件的壁很薄，加工過程（chéng）中很容易發生變形，影響加工精度（dù）和質量。
材料硬度高：許多異（yì）形薄壁件（jiàn）采（cǎi）用高硬度材料製造，這使（shǐ）得加工難度進一步增加（jiā）。
精度要求高：精密蝸殼在許（xǔ）多領域都（dōu）有廣泛應用，如航（háng）空發動機、燃氣輪機等，因此對加工精度要求非常高。
二、異形薄壁件精密蝸殼加（jiā）工工藝的探索（suǒ）與實（shí）踐（jiàn）
為了解決（jué）異形（xíng）薄（báo）壁件精密蝸殼加工的難（nán）點，許多企業和研究機（jī）構進行了大量的探（tàn）索與實踐。以下是一些（xiē）主要的（de）加工工藝（yì）方法（fǎ）：
數控機床加工：利用數控機床進行異形薄壁件精密蝸殼的加工是當前主流（liú）的方法。通過精確控製機床的切削參數和刀具路徑，可（kě）以實現高精度（dù）的加工。
激光切割：激光（guāng）切割（gē）是一種非接觸式的加工方法，適用於各種材（cái）料和形狀的異形薄（báo）壁件。激光功（gōng）率密度高、速度快、精（jīng）度高，可以大大提高加工效率和質量。
水切割（gē）：水切割利用高（gāo）壓水流對材料進行切割（gē），具有切割精度高、表（biǎo）麵質量好、無熱影響等優點。特別適用於高（gāo）硬度材料的異形薄壁件精密蝸殼加（jiā）工。
超聲波振動輔助加工：通（tōng）過在（zài）切削過程中引（yǐn）入（rù）超聲波振動，可以有效地減小切削力，降低工（gōng）件變形和（hé）裂紋產生的風險。同時，超聲波（bō）振動還可以提高（gāo）切削效率和質量（liàng）。
複合加工技術：將多（duō）種加工方（fāng）法結合起來，形成複（fù）合加工技術，可以充分發（fā）揮各種方法的優勢，提高異形薄壁（bì）件精密蝸殼的加工效率和質量。例如，將數控機床與激光切割技術相結合，可（kě）以（yǐ）實現高效、高精度的異形薄壁（bì）件精密蝸殼加工。
三、未來展望
隨著科（kē）技的不斷進步和創新（xīn），未來異形薄壁件精密蝸殼加工工藝將會朝著更加高效、高精度、智能化的方向發展。以下是（shì）一些可能的未來發展（zhǎn）趨勢：
智能化加工：通過引入人工智能和機器學習技術，實現異形薄壁件精密蝸殼加工過程的智能化控製和管理。通過實時監測和調整加工參數，提高加（jiā）工效率和產品質量。
高速（sù）切削技（jì）術：采用更（gèng）高速度的切削技術，可以進一步提高異形薄壁件精密蝸殼的加工效率和質量。同（tóng）時（shí），高速切削還可以減小切削力和切削熱的影響（xiǎng），提高工件的加工精度和表麵質量。
多軸聯動技術：通過引入多軸聯動技術，可以實現異形薄（báo）壁件精密蝸殼的多軸協同加工。這將大大提高加工效率和精度，降低工件的變形風險。
綠色製造技術：隨著環保意識的不斷提高，綠色製造技術將成為未來異形薄壁件精密蝸殼加工的重要發展方向。通過采（cǎi）用環保材（cái）料、優化工藝流程和降低能耗等方式，實現異形薄壁件精密（mì）蝸殼的綠色製造（zào）。
以動力裝置（zhì）中的（de）鋁合（hé）金異形結構件蝸殼為例，針對薄壁、鏤空的（de）結構特點（diǎn）及關鍵（jiàn）技術難點進行工藝分析並製定完整的工（gōng）藝方案，通過粗、精加工和時效處理，在產品加工過程中多次釋放內應力，在保（bǎo）證產品精度的（de）同時，有效控製了產（chǎn）品變形。
1序言
鋁合金異形結構件常用於軍（jun1）工、航天（tiān）和高精密加工http://www.dgszm.com/模具等領域，其最顯著的特（tè）點是精度高且形狀（zhuàng）複雜，在材料的選擇上以（yǐ）2A12-T4鋁合金居多。2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，由於其最大的特點是易變形[1]，因此其異形（xíng）結構件的加工難度大。下麵以動力裝置中的鋁合金異形結構件（jiàn）蝸殼為例，探討（tǎo）其加工方法。
2結構特點及關鍵技（jì）術難點
2.1結構特點（diǎn）
案例1所示蝸（wō）殼（ké）為複（fù）雜的（de）異形（xíng）結構件，且屬於鏤空薄（báo）壁件，蝸殼結（jié）構如案例2所示。從產品（pǐn）精度（dù）上看，蝸殼為關鍵精密輸出結構件；從裝配結構上看，蝸殼為整套結構的裝配載體。
a）正視
b）側視
案例1蝸殼
a）正麵b）反麵
c）側視d）仰視
e）俯視
案例2蝸（wō）殼結構
2.2關鍵技術難點
（1）依據設計案例樣分析蝸殼關鍵（jiàn）尺寸精（jīng）度如案例3所示，有多處幾何公差要求。
a）主視案例
b）俯視案例（lì）
c）剖視案例
案例3蝸殼關（guān）鍵尺寸精度
（2）從材料方麵分析2A12-T4鋁合金的機械加工性能良好，其最大的特點是易變形。
（3）從產品結構方麵（miàn）分析局部實（shí）體連接部分壁（bì）厚僅1～1.5mm，符合薄壁件結構（gòu）特點。
（4）從加工（gōng）工藝方麵分（fèn）析在保證產品精度的同時，如何控製產品的變形顯得（dé）尤為（wéi）重要。
3毛坯製造及裝夾方（fāng）案
3.1異（yì）形件假體毛坯的製造
異形（xíng）件假體毛坯方案模型如案（àn）例4所示，其中綠色（sè）為工件，黃色圓形為假體毛坯。假體毛坯設計思路如下。
a）正視案（àn）例b）側視案例c）俯視案例
案例4異形件假（jiǎ）體毛坯（pī）方案模型（xíng）
（1）從工（gōng）件的外形形狀分（fèn）析設計假體毛坯時，一般優先考慮方形毛坯和圓形毛坯。因（yīn）為方形毛（máo）坯方便虎鉗（qián）裝夾，圓（yuán）形毛坯方便（biàn）自定（dìng）心卡盤裝夾，而蝸（wō）殼（ké）的外形形狀更貼近於圓形，所以初步確定為圓形假體毛坯。
（2）從加工手段上分析根據（jù）工件的結構組成，需要五軸加工中心配（pèi）合完（wán）成加工，在五軸多工位旋轉過程中，圓形假體毛坯更適合旋轉軸的擺（bǎi）角方式。
（3）從加工刀具的懸伸（shēn）長度分析以工（gōng）件中心為出發點，相對（duì）於方形毛坯刀具懸伸的不均勻（yún）性（xìng），圓形毛坯為（wéi）等（děng）半徑加工，刀（dāo）具的懸伸長度不會出現或長或短現象。
綜上所述，從加工工件部位最大化的原則出發，重點考慮工件加工過程中的剛性，最終確定假體毛（máo）坯方案，用圓形毛坯增大底部定（dìng）位基準麵，高度與底部小凸台上（shàng）平麵平齊。
3.2裝夾方案的製定
在假（jiǎ）體毛坯的合適位置上，設計2處φ10mm紅（hóng）色銷（xiāo）孔（見案例5）、4處M5紫色螺紋孔和5處φ4.2mm藍色圓形通孔。裝夾方案製定思路如下。
案例5基準孔和鎖（suǒ）緊孔
1）增（zēng）加2處紅色φ10mm銷孔的目的，是與黃色假體大平麵共同（tóng）形成“一麵（miàn）兩銷”的經典裝夾定位模（mó）式（shì），為後序工（gōng）裝設計做準備（bèi），同時要求各工序工（gōng）裝設計應遵循加工基準統一原（yuán）則[2]。
2）增加4處M5紫色螺紋孔的目（mù）的，是可以通過螺（luó）釘反向拉（lā）緊的方式（shì）固定工件本體，為後（hòu）序工裝設計做準備。
3）增加5處φ4.2mm藍色（sè）圓（yuán）形通孔的目（mù）的，是可（kě）以通過螺釘正向鎖緊的方（fāng）式固定工件本體，為後序工裝設計（jì）做準備。
綜（zōng）上所述，裝夾方案已經確（què）定，工藝方案將以此展開。
4粗加（jiā）工方案
4.1反麵第一次粗加（jiā）工反麵第一（yī）次粗加工如案例6所示。采用（yòng）三軸加工中心加工，虎鉗裝夾。
a）反麵粗（cū）加工區域b）反麵開粗後的（de）仿真效果
案例6反麵第一次粗加工
1）虎鉗裝夾毛坯底部平行夾位，對原始圓形毛坯進行大餘量開粗。
2）頂端大平麵留0.5mm餘量（liàng），加工各處銷（xiāo）孔、螺紋孔和圓形通孔至達（dá）到零件（jiàn）尺寸要求。
3）工件綠色區（qū）域單邊留0.3mm餘量。
工藝分析：①去除工件反麵大餘量毛坯（pī），使產品反（fǎn）麵做初次應力釋放（fàng）。②由（yóu）於案例6a綠色（sè）區域因為有假體毛坯的輔（fǔ）助，具有一定的強度，所以單邊（biān）可（kě）以少留一點（diǎn）餘量，單邊留0.3mm餘（yú）量（liàng）。
4.2正麵第一次（cì）粗（cū）加工
正麵第一次粗加工（gōng）采用三軸加工中心加工。正麵（miàn）專用工裝設計如案（àn）例7所示。正麵（miàn）第一次粗加工如案例8所示，粗加工所有綠色區域，單邊留0.5mm餘量。
a）工件內部剖（pōu）視案例b）正麵（miàn）工裝三維案例c）正麵工裝實物
案例7正麵專用工裝設（shè）計
a）正麵粗加工區域b）正麵開粗後的仿真效果
案例（lì）8正麵第一次粗加工
工藝分析（xī）：①去除（chú）正麵大餘量毛坯，使產（chǎn）品（pǐn）正麵做初（chū）次應力釋放（fàng）。②用（yòng）三軸加工中心去除毛坯餘量，目的在於為後序（xù）五軸加工減輕質量和節省五軸加（jiā）工時（shí）間。
正麵專用工裝設計思路如下。
1）定位麵設計。遵循一麵兩銷的裝夾原則（zé），如案例7b所示，綠色麵為定位（wèi）麵，兩（liǎng）處（chù）紅色銷釘用於限位。
2）工裝排屑設計。如案例7a所示（shì），由於工件內部凹（āo）腔結構特殊，在使用T形刀加工內部凹（āo）腔（qiāng）過程（chéng）中（zhōng），必然會（huì）產生大量切屑，隨著切屑的增多，在切屑沒有順利排（pái）出的情況（kuàng）下，很有可能悶斷T形刀，因此，在（zài）工裝上設計兩處紫色貫穿孔（見案例7b），方便切屑的排出與下沉。
3）裝夾方（fāng）式設計。根據工件假（jiǎ）體上（shàng）4處M5螺紋孔位置，對應設（shè）計（jì）工裝鎖緊位置，用4顆M5內六角圓柱頭螺（luó）釘反向拉緊工（gōng）件，從而固定工件。案例（lì）8a中4個藍色零部件為M5內六角圓柱頭螺釘。
4.3正麵第（dì）二次粗加工
正麵第二次粗加工如案例9所（suǒ）示，采用五軸加工中心加工，專（zhuān）用工裝裝夾。如案例9a、案例9b所示，對工件所有紅色區域進行二次加工，單邊留0.3mm餘量；將工件所有綠（lǜ）色區域加工到位（即最終產品此（cǐ）處區域加工到位，不留餘量）[3]。加工仿真效果如案例9c、案例9d所示。
a）正麵加工區域b）旋轉180°視角的加（jiā）工區域
c）加工仿真效果d）旋轉180°視角的仿真效果
案例9正麵（miàn）第二次粗加工
工藝分析：由於根據產（chǎn）品結構和尺寸精度分析，得出（chū）案例9a、案例9b中綠色區域為（wéi）減重（chóng）區域，因此加工到位，同時也使產品正麵內應力得到二次釋放。
5時效處理
為了消除工件加工過程中的內應力，穩定工件基體組織，對工件進行時效處理。入爐溫度為室溫，升溫速度為127℃/h，保溫溫度（dù）為（185±10）℃，保（bǎo）溫時間為（wéi）4～5h，降溫速度為（wéi）43℃/h，冷卻方式為隨爐冷卻，出爐溫度（dù）為室溫。
6關鍵部位精加工方案
6.1基準麵的（de）修正
（1）反麵基準麵修正（見案例10）設計軟爪（zhǎo）鉗口專用工裝（zhuāng）如案例10b所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗配合專用工裝裝夾，輕（qīng）夾工件最大外圓，加工紅色大麵見光即可（kě）。在自由狀態下，基準平麵見光。
a）加工區域b）軟爪鉗口工裝c）裝夾示意
案例10反麵基準麵修正
工藝分析：本工序（xù）其實就（jiù）是修正熱處理後的基準平麵。工件的（de）自由狀態，是有剛性條件支撐（chēng）下的（de）狀態，通俗來講，就（jiù）是工件在當前狀（zhuàng）態下本體（tǐ）強度好。精度高的結構件，一定要（yào）在精加工前使工件具有剛性。要為精加工前的工件製造剛性條件，在剛性條件支撐下（xià），再來修正基準平（píng）麵，而且修正量（liàng）一定要少，基準平麵見光即可。這就是在自由狀態下，修正基準平麵的含義。由於（yú）工件在去除圓（yuán）形假體毛坯之前，是存在一定剛性的，在此基礎上（shàng）修正基準麵，這樣的麵才是平的，所以說這一工序十分關鍵。
軟爪鉗口專用工裝（見案例10b）的（de）設計思路如下。
1）設計的出發（fā）點（diǎn）。既然是自由（yóu）狀態下修正基準平（píng）麵，那麽工件隻允許徑向受力，不允許垂直方向受力，因為垂直方向受力會使工件出現彈（dàn）性變形。
2）定位（wèi）麵的設計。如案例10b所示，3處紅色小麵為工件定位麵，模擬點接觸方式支撐工件，有效（xiào）避免麵與麵接觸的不確定因素。因為是基準麵的修正，工件底麵（miàn）重點在於支撐，而（ér）不是重在貼合（hé），特別是熱處理後的工件定（dìng）位麵，所以，此處點接觸定位麵的設計方式為基（jī）準麵修複（fù）的又一關鍵點。
3）裝夾方式設計。如案（àn）例10c所（suǒ）示，模仿車床（chuáng）裝夾方式，為工件假體外圓設計軟爪工裝，嵌入式包夾工件外圓。
（2）正麵基準麵（miàn）修正及各孔（kǒng）精加工（見案例11）采用五軸（zhóu）加工中（zhōng）心加工，專用工（gōng）裝裝夾，加工工件正（zhèng）麵標記的紅色（sè）大麵和兩處紫色（sè）麵，見光即（jí）可，保證麵與麵之間的距離公差±0.02mm。精加工工件（jiàn）正麵紅色標記的各圓孔、螺紋孔及側麵貫穿孔至成品尺寸。
案例11正麵基準麵修正及各孔精加工
工藝分析如下。
1）正麵基（jī）準麵的修正。①因為工件反麵基準（zhǔn）麵在自然狀態下修正後，消除了麵的彈性變形，所以在修正正麵基準麵時，是允許垂直方向受力（lì）的，如（rú）案例11所示，反（fǎn）麵基準麵貼（tiē）緊工裝，反向螺釘拉緊工件即可。②修正正麵基準麵的作用是為（wéi）後序工（gōng）裝（zhuāng）的設計做準備，保證（zhèng）定位（wèi）麵（miàn）的一致性。如（rú）案例11所示（shì），確定選取其中紅（hóng）色大麵與最上（shàng）麵的紫色麵為工裝定位（wèi）麵。③為什麽要修正中間的紫色（sè）麵。假設後（hòu）工序（xù）工件的圓形假（jiǎ）體毛（máo）坯去除後，出現了反麵基準麵（miàn）的二次變（biàn）形（xíng），且造成後工序無（wú）法連接，這時就需要兩處紫色（sè）麵作為定位麵，結合工裝對反麵基準麵做二次修正，意義在於為工藝方案本身做預案，應對產品變形的不確定性。這一點也很重要。
2）反麵基準麵修正後，且熱處（chù）理後的工（gōng）件主體狀態良好，可以加工工件各處（chù）圓（yuán）孔、螺紋孔至成品尺寸，而且孔的（de）加工不會影響正麵（miàn）基準麵的修（xiū）複。
6.2反（fǎn）麵精加工
反麵精（jīng）加工（gōng）專用工裝設計如案例（lì）12所示。三軸加工中心（xīn）加工，專用工（gōng）裝裝夾。工件反麵精加工如案例13所示（shì），先用6顆M5內六（liù）角（jiǎo）圓柱頭（tóu）螺釘裝夾，精加工工件（jiàn）紅色區域（yù），用挖腔的方式加工紅色區（qū）域內的平麵、台階麵、凹腔及各圓孔至成（chéng）品尺寸；然後程序暫（zàn）停，如案例（lì）13b所示，內腔紅色區域內增加圓形壓板和（hé）內六角圓柱頭（tóu）螺釘裝夾，加（jiā）工綠色區域至成品（pǐn）尺寸；最後用落料（切斷銑（xǐ））的方式加工工件最大外形側麵（見案例13c），使用φ2mm立銑刀加工外形至成品尺寸，去除（chú）假體毛坯。
a）工裝定（dìng）位麵及限位銷b）工裝（zhuāng）實體
c）裝夾（jiá）示意
案例12反（fǎn）麵（miàn）精（jīng）加工專用工裝設計
a）精加工紅（hóng）色平麵及凹腔b）精（jīng）加工綠色凹槽（cáo）
c）精加工工件外形
案例13反麵精加工（gōng）
工（gōng）藝分析如下。
1）反麵精加工專用工（gōng）裝設計（jì）思路。①定位麵設計思路。依然遵循（xún）工序基準統一的裝夾原則，如案例12a所示，兩處綠色麵為定位麵，兩個（gè）紅（hóng）色銷釘用於限位。②裝夾方式設計（jì）思路（lù）。根據工件圓形假（jiǎ）體毛坯的圓孔位置，設計（jì）6顆內六角（jiǎo）圓柱頭螺釘（見（jiàn）案例13a中6個藍色零部件），鎖緊工件外部。為防止工件外形落料（liào）鋸斷時發生移動，根據產品本身結構，尋找合（hé）適（shì）孔位，增加4顆內六角圓柱頭螺釘和1處圓形壓板（見案例13c工件內（nèi）部5個藍（lán）色零部件），鎖緊工件內部。
2）從產品精加工餘量分布情況（kuàng）看，如案例13b所示，工件（jiàn）的紅色區域單邊餘量隻有0.3mm，綠色區域也隻是做局部清根處理，由於加工內容較少，並未發生大（dà）餘量切削，不會產生過多內應力，對工件整（zhěng）體精度也不會造成影響，因此本工序可以全部加（jiā）工到位。
3）重點分析落料加工及加工效果。①用類似（sì）銑槽的方法使工件從毛坯上脫（tuō）落下來，一般底麵留0.1～0.15mm餘量。落料加工的意義是避免局部大餘量銑削加工造成工件因為內應力集中而導致最終（zhōng）變形。落料加工常用於外形（xíng）、內腔及內孔有較大的材料去除（chú）的時候。②如案例13c所示，用落（luò）料的（de）方法去除工件（jiàn）的假體毛坯，加工內（nèi）容較（jiào）少，不會產生（shēng）過多熱應力。③工件去除（chú）假體毛坯後，測量反麵基準平麵變形量為0.016mm，而案例樣要求的平麵度為0.03mm，符合案例樣要求，可進行後工序加工。
6.3正（zhèng）麵精加工
產品正麵精加工如案例14所示。五軸加工中心加工，設計正麵精加工專（zhuān）用工裝裝夾。如案例14c所示，精加工工件正（zhèng）麵上有紅色標記的各平麵、外圓、台階麵及4處小圓孔至成品尺寸。
a）工裝（zhuāng）定（dìng）位麵及（jí）限（xiàn）位銷b）裝夾示意（yì）
c）正麵精加工區域
案例14正麵精加工
工藝（yì）分析如下。
1）正麵（miàn）精加工專用工裝設計思路。①定位（wèi）麵設（shè）計思路。依然遵循一麵兩銷裝夾原則，如（rú）案（àn）例14a所示，綠色麵為定位麵，兩處紅色（sè）銷釘用於限位。②裝夾方式設計思路。根據工件底部有多處凸耳的結（jié）構特點，如案例14b所示，采用多壓板裝夾工件底部凸耳的方式。
2）如案例14c所示，工件上各（gè）處紅（hóng）色區域單邊餘量隻有0.3mm，加工內容較少，不會產生過多（duō）內應力，對工件整體精（jīng）度也不（bú）會造成影響，本工（gōng）序可以（yǐ）全部加工到位。
7結束語
異形件精密蝸殼按照上述工藝方案加工完成後，嚴（yán）格按照案例樣（yàng）要求檢測，檢測結果符合案例樣（yàng）要求。
鋁（lǚ）合金異（yì）形結構件蝸殼的整個工（gōng）藝開發過程，技術關鍵點主要體現在4個方麵：①從鋁合金異形結構件的結構特點出發，建立合理且規則（zé）的假體毛坯，利（lì）用假體毛坯轉化（huà）成工件的定位裝夾基準，方便後序的裝（zhuāng）夾。②著重考慮產品在裝夾過程中的受力方向，遵循基準統一的（de）原則設計工裝。③讓工件在自由狀態下裝夾，消（xiāo）除工件基準平麵的變形。④在（zài）產品加工過程中，多次（cì）釋放內應力。4個方麵相輔相成，使（shǐ）高精密異形件產（chǎn）品得以完成。
專家點評
本例中（zhōng）蝸殼零件（jiàn）壁薄（báo）、鏤（lòu）空且形狀複雜，作者針對零件的結（jié）構特點及關鍵技術難點進行（háng）工藝分析並製定完整的工藝（yì）方案，從4個方麵采（cǎi）取工藝改進措施，建立假體毛坯並遵循（xún）基準統一的原則設計（jì）工（gōng）裝（zhuāng），在自由狀態下裝夾（jiá）工件，並在加工（gōng）過程中多（duō）次釋放內（nèi）部應（yīng）力，在（zài）保證產品精度（dù）的同時有效控製了變形。
文章（zhāng）內容嚴謹，論據充分，建模清晰，案例文並茂，亮點（diǎn）是關鍵（jiàn）部位精加（jiā）工（gōng）方案，在工件自（zì）由狀態下（xià）修正基準平麵，消除變形誤差。結尾部分也（yě）總結概括得很好，融會貫通，簡明扼要。
參（cān）考文（wén）獻：
[1]曾正明.機械工程材料手（shǒu）冊[M].北京：機（jī）械工業出版社，2009.
[2]餘光國，馬俊.機床夾（jiá）具設計[M].重慶：重慶大學出版社，1995.
[3]陳宏鈞.實用機械加工（gōng）工（gōng）藝手冊[M].3版（bǎn）.北京：機械（xiè）工（gōng）業出版社，2009.
本文發表於《金屬加工（冷加工）》2023年第12期第22~27頁，作者（zhě）：成都劍澗優能航空設備製造有（yǒu）限公司白雪坤，原標題：《異形薄壁件精密蝸殼加工工（gōng）藝》。
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