高精密泵殼芯體加工工藝

01

序言圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件常見于閥體類、泵體類和芯體類等零件，應(yīng)用于軍工、航天及高精密模具等領(lǐng)域。圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件的最顯著特點(diǎn)就是精度高且形狀復(fù)雜，在材料選擇上以2A12-T4鋁合金居多，是一種常見材料，其機(jī)械加工性能良好，由于其最大的特點(diǎn)是易變形[1]，因此其加工難度顯而易見。02

泵殼芯體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)2.1

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖1所示圓形鋁合金結(jié)構(gòu)件為動(dòng)力裝置中的泵殼芯體，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該泵殼芯體為復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)件，且屬于薄壁件。從輸出精度上看，泵殼芯體是關(guān)鍵精密輸出結(jié)構(gòu)件；從裝配結(jié)構(gòu)上看，泵殼芯體是整套結(jié)構(gòu)的裝配載體。a）正視

b）側(cè)視

c）仰視圖1動(dòng)力裝置中的泵殼芯體a）正面結(jié)構(gòu)

b）反面結(jié)構(gòu)

c）側(cè)面結(jié)構(gòu)圖2泵殼芯體結(jié)構(gòu)2.2

關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)泵殼芯體關(guān)鍵尺寸精度如圖3所示，工件上有多處幾何公差要求，且精度在0.02mm。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，局部實(shí)體連接部分壁厚僅為2.5mm，符合薄壁件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；從加工工藝上分析，在保證產(chǎn)品精度的同時(shí)，如何控制產(chǎn)品的變形顯得尤為重要。圖3泵殼芯體關(guān)鍵尺寸精度03

粗加工方案3.1

第一次開粗第一次開粗如圖4所示。a）效果圖

b）正面視圖

c）反面視圖圖4第一次開粗

實(shí)施方案：普通車床加工，自定心卡盤夾持毛坯，對原始圓形毛坯進(jìn)行大余量開粗，工件單邊留量0.5mm，保證整體幾何公差精度＜0.1mm。工藝分析如下。1）去除大余量毛坯，使產(chǎn)品做初次應(yīng)力釋放。2）粗車后工件的整體幾何公差精度應(yīng)＜0.1mm（含同軸度、垂直度和平面度），為后序定位加工做準(zhǔn)備。3.2

第二次開粗（1）反面第二次粗加工反面第二次粗加工如圖５所示。圖5反面第二次粗加工實(shí)施方案：用三軸加工中心加工，立式自定心卡盤裝夾工件底部圓形毛坯。１）對圖5所示工件綠色區(qū)域進(jìn)行二次開粗，單邊留量0.5mm。２）將圖5所示工件紅色區(qū)域凹槽加工到位（即最終產(chǎn)品此處區(qū)域加工到位，不留余量）。３）運(yùn)用孔與孔之間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換（見圖６），將8個(gè)ST5（φ

5.2mm）底孔轉(zhuǎn)換為6個(gè)M4螺紋孔和2個(gè)φ

4mm銷孔。圖6a中2處粉色孔為銷孔，6處深藍(lán)色孔為螺紋孔，尺寸精度轉(zhuǎn)換如圖6b、圖6c所示。a）轉(zhuǎn)換示意b）圖樣孔位最終要求為8個(gè)ST5c）轉(zhuǎn)換為6個(gè)M4螺紋孔和2個(gè)φ

4mm銷孔圖6孔與孔之間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換4）圖5中有孔的大平面見光即可，保證與各孔垂直。工藝分析如下。1）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸精度分析得出圖5紅色區(qū)域?yàn)闇p重區(qū)域，因此加工到位，同時(shí)也滿足產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力的二次釋放。2）在本工序孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，與大平面共同形成“一面兩銷”的經(jīng)典裝夾定位模式，為后序工裝設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備[2]。（2）正面第二次粗加工正面第二次粗加工如圖7所示。a）正視

b）側(cè)視圖7正面第二次粗加工實(shí)施方案：五軸加工中心加工，專用工裝裝夾。1）設(shè)計(jì)一面兩銷五軸正面銑削專用工裝（見圖8）。a）工裝設(shè)計(jì)模型

b）工裝實(shí)物圖8五軸正面銑削專用工裝2）圖7所示工件綠色區(qū)域進(jìn)行二次開粗，單邊留量0.5mm。3）圖7所示工件紅色區(qū)域凹槽加工到位（即最終產(chǎn)品此處區(qū)域加工到位，不留余量）。工藝分析如下。1）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸精度分析得出圖7所示紅色區(qū)域?yàn)闇p重區(qū)域，因此加工到位，同時(shí)也滿足產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力的二次釋放。2）工件屬于鏤空結(jié)構(gòu)的薄壁件，應(yīng)優(yōu)先考慮讓工件垂直方向受力，而不是徑向受力，設(shè)計(jì)思路為：①定位面設(shè)計(jì)思路。結(jié)合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，遵循一面兩銷裝夾原則，圖8a中綠色面為定位面，兩處紅色銷釘限位[3]。②裝夾方式設(shè)計(jì)思路。結(jié)合上一工序，在孔與孔之間完成尺寸轉(zhuǎn)換后，設(shè)計(jì)4顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘（圖7中深藍(lán)色零部件），反拉工件主體螺紋的裝夾方式，考慮到本工序工件銑削余量較多，在工件最上端增加圓形蓋板（圖7a最上端黃色零部件），很好地起到穩(wěn)定工件主體的作用。04

時(shí)效處理入爐溫度：室溫；升溫速度：127℃/h；保溫溫度：（185±10）℃；保溫時(shí)間：4～5h；降溫速度：43℃/h；冷卻方式：隨爐冷卻；出爐溫度：室溫。工藝分析：①消除工件加工過程中的內(nèi)應(yīng)力。②穩(wěn)定工件基體組織。05

關(guān)鍵部位精加工方案5.1

車床工序?qū)嵤┓桨福簲?shù)控車床加工，設(shè)計(jì)專用工裝裝夾。1）圖9所示為自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光。車床鏜軟爪，輕夾藍(lán)色外圓，端面貼緊，車削紅色大面見光。圖9自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光2）圖10所示為精車工件正面。專用工裝裝夾（與五軸正面銑削工裝相同），精車工件所有內(nèi)孔區(qū)域與外圓紅色區(qū)域。圖10精車工件正面3）圖11所示為反面車削工裝。內(nèi)孔配合專用心軸裝夾（見圖11a），打表復(fù)查上一工序已加工外圓及軸向圓跳動(dòng)在0.01mm以內(nèi)。圖12所示為精車工件反面及燕尾槽。按圖12裝夾方式，精車外圓紅色區(qū)域及燕尾槽至達(dá)到尺寸要求（圖12綠色區(qū)域是燕尾槽）。a）側(cè)視

b）剖視圖11反面車削工裝圖12精車工件反面及燕尾槽根據(jù)燕尾槽尺寸精度要求（見圖13），自制燕尾槽粗、精加工車刀（見圖14），粗、精車削燕尾槽至達(dá)到尺寸要求，保證尺寸精度及表面粗糙度要求。圖13燕尾槽尺寸精度要求圖14自制燕尾槽粗、精加工車刀工藝分析如下。1）圖9所示自由狀態(tài)下基準(zhǔn)平面見光，其實(shí)就是在修正熱處理后的基準(zhǔn)平面，屬于本工序的關(guān)鍵點(diǎn)，看似簡單的一個(gè)動(dòng)作，實(shí)則暗藏玄機(jī)，例如，起初的工藝，在精車過程中沒有修正基準(zhǔn)平面工序，工件加工完成后，尺寸公差、幾何公差出現(xiàn)超差現(xiàn)象，但是分析裝夾方案卻又是合理的，究其原因是忽略了鋁合金材料的塑性變形。為了解決這一問題，反復(fù)試驗(yàn)后，得出一個(gè)結(jié)論，即在自由狀態(tài)下加工基準(zhǔn)平面。工件的自由狀態(tài)，就是有剛性條件支撐下的工件狀態(tài)，通俗來講，就是工件當(dāng)前狀態(tài)下本體強(qiáng)度好。因此，精度高的結(jié)構(gòu)件，一定要在工件精加工前使工件具有剛性，為精加工前的工件創(chuàng)造剛性條件，在剛性條件支撐下，再來修正基準(zhǔn)平面，而且修正量一定要少，基準(zhǔn)面見光即可，這就是自由狀態(tài)下修正基準(zhǔn)平面的含義，這一點(diǎn)很重要。如圖9所示，工件內(nèi)孔還沒有精車之前，工件是存在一定剛性的，在此基礎(chǔ)上加工基準(zhǔn)面，這樣的面才是平的，所以說這一工序十分關(guān)鍵。2）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合各工序基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，尋求設(shè)計(jì)工裝的共性特點(diǎn)，最終完成精車工序?qū)Ｓ霉ぱb的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案與五軸正面銑削工裝設(shè)計(jì)方案完全相同，既簡化了各工序工裝繁多的現(xiàn)象，又能使工裝之間存在可替代性。3）根據(jù)產(chǎn)品燕尾槽結(jié)構(gòu)，自制燕尾槽車刀，既保證了產(chǎn)品精度，也節(jié)省了刀具成本。4）車削工件反面的專用心軸工裝（見圖11）的設(shè)計(jì)思路為：①遵循孔與軸的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換原理，心軸與工件內(nèi)孔屬于精密間隙配合方式。②在工裝上增加一處長圓柱銷，在起到防轉(zhuǎn)作用的同時(shí)，更有利于工件與工裝之間作用力的傳輸。5.2

銑床工序?qū)嵤┓桨福何遢S加工中心加工，專用工裝裝夾。1）產(chǎn)品正面精加工如圖15所示。專用工裝裝夾，精加工工件正面上標(biāo)有紅色標(biāo)記的各圓孔、螺紋孔及內(nèi)腔4處鍵槽至尺寸要求。圖15產(chǎn)品正面精加工2）設(shè)計(jì)五軸反面銑削專用工裝（見圖16），精加工工件反面（見圖17）。

a）反面工裝設(shè)計(jì)模型

b）工裝實(shí)物圖16五軸反面銑削專用工裝

a）精加工螺紋底孔及掛鉤

b）精加工掛鉤內(nèi)壁

c）精加工產(chǎn)品端面圖17產(chǎn)品反面精加工3）工件反面加工順序：按圖17a方式裝夾工件，加工圖17a、圖17b中紅色標(biāo)記的8處螺紋孔、掛鉤區(qū)域及掛鉤內(nèi)壁，期間程序暫停，按圖17c所示卸下圓形壓板，再加工工件端面紅色區(qū)域至尺寸要求。工藝分析如下。1）反面銑削專用工裝（見圖16）裝夾設(shè)計(jì)思路：①定位面設(shè)計(jì)思路。依然遵循一面兩銷裝夾原則，圖16a中兩處綠色面為定位面，底部兩處紅色銷釘限位。②裝夾方式設(shè)計(jì)思路。根據(jù)工件螺釘位置，設(shè)計(jì)圓形花形壓板（見圖17a藍(lán)色零部件），為防止精銑側(cè)面掛鉤振刀，增加中心圓形壓板（見圖17a上端黃色零部件）。2）工件反面精加工分兩工步進(jìn)行，主要原因在于工件反面掛鉤懸伸過長，在沒有圓形壓板的情況下，掛鉤區(qū)域發(fā)生振刀現(xiàn)象，表面粗糙度不達(dá)標(biāo)。3）最后一個(gè)工序銑床工序關(guān)鍵部位精加工，加工內(nèi)容較少，不會(huì)對整體精度產(chǎn)生影