異形薄壁件（jiàn）精密蝸殼加（jiā）工工藝
隨著科（kē）技的不斷進步，異形薄壁件在許（xǔ）多領域得到了廣（guǎng）泛（fàn）應（yīng）用（yòng），如航空航天、汽車、電子等。然而，由於其形狀複雜、壁薄易變形等特點，異（yì）形（xíng）薄壁件的（de）加工成為了一個具有挑戰性的問題。特別（bié）是（shì）在精密（mì）蝸殼加工領域，對加工工藝的要求更為嚴格。
一、異形薄壁件精（jīng）密蝸殼加（jiā）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（fāng）麵：
形狀複雜（zá）：異形薄壁件通常具有複雜的（de）幾何形狀，這給（gěi）加工設備的設計和製造（zào）帶來了很大的挑（tiāo）戰。
壁（bì）薄易（yì）變形：由於異形薄壁件的壁很薄，加工過（guò）程中很容易（yì）發生變形，影響加工（gōng）精（jīng）度和質量。
材料硬度高（gāo）：許多異形薄壁件采（cǎi）用（yòng）高硬度（dù）材料製造，這使得加工難度進一步增加。
精度要求高：精密蝸殼在許多領域都有（yǒu）廣泛應用，如航空發動機、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工工藝的探索與實踐
為了解決異形薄壁件精密蝸殼加工（gōng）的難點，許多（duō）企業和（hé）研究機構進行了大量的探索與實踐。以下是一些主要的加工工藝方法：
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的方法。通過（guò）精確控製機床的切削參（cān）數和刀具（jù）路（lù）徑，可以實現高精度的加工。
激光切割：激光切割是一種（zhǒng）非接觸式的加工方法，適用（yòng）於各種材料和形狀的異（yì）形薄壁件。激光功率密度高（gāo）、速度快、精度高（gāo），可以大大提高加工效率和質量。
水切割：水切割利用高壓水流（liú）對材料進行切割，具有切割精度（dù）高、表麵質量好、無熱（rè）影響等優點。特別適用於高硬度材料的異形薄壁件精密蝸殼加工。
超聲波振動輔助加工：通過在切削過程中引入超聲波振動，可以有效（xiào）地減（jiǎn）小（xiǎo）切削力，降低工件變形和裂紋產（chǎn）生的風險。同時（shí），超聲波振動還可以提高切削效率和質量。
複合加工技術：將多種加工方法結合起來，形成（chéng）複合加工技術，可以充分發揮各種方法的優勢，提高異（yì）形薄壁件精（jīng）密蝸殼的加（jiā）工效率和質量。例如，將數控（kòng）機床與激光切（qiē）割技術相（xiàng）結合，可以實現高效、高精（jīng）度的異（yì）形薄壁件精密蝸（wō）殼（ké）加工。
三、未來展望
隨著（zhe）科技的不斷進步和創新，未來異形薄（báo）壁件精密蝸殼（ké）加（jiā）工工藝將會（huì）朝著更加高（gāo）效、高（gāo）精度、智能化（huà）的方向發展。以（yǐ）下是一些可能的未來發展趨（qū）勢：
智能化加工（gōng）：通過引入人工智能（néng）和機器學習技術，實現異形薄壁件精密蝸殼加工過程的（de）智能（néng）化控製和管理。通過（guò）實時（shí）監測和調整加工參數，提高加工效率和產品質量。
高速切削技術：采用更高速度的切削技術，可以進一步提高異（yì）形薄（báo）壁件精密蝸殼的加工效率和質量。同時，高速切削還可以減小切削力和切削熱的影響，提高工件的加工精度和表（biǎo）麵（miàn）質量。
多軸聯動技術：通過引入多軸聯動技術，可以實現異形薄壁件精（jīng）密蝸殼的多軸協同加（jiā）工。這將大大提高加工效率和精度，降低工件（jiàn）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（jiāng）成為未來異形薄壁件精密蝸殼加工的重要發展方向。通過采用（yòng）環保材料、優化工藝流程和降低能（néng）耗等方式，實現異形薄壁件精密蝸殼的綠色製造。
以動力裝置中的鋁合金異形結構件蝸殼為例，針對薄壁、鏤空（kōng）的結構特點及關鍵技術難（nán）點進行工藝分析並製定完整（zhěng）的工藝方案，通過粗、精（jīng）加工和時效處理，在（zài）產品加工過程中多次釋放內應力，在保證產（chǎn）品精度的同時，有效控製了產品變形。
1序言
鋁合金異形結構件常用於軍工、航天和高精（jīng）密加工http://www.dxqiumoji.com/模具等領域，其最顯（xiǎn）著的特點是精度高且形狀複雜，在材料的選擇上以2A12-T4鋁合金居（jū）多。2A12-T4鋁合金的機（jī）械加工性能良好，由於其最大的特點是易變形[1]，因此其異形結構件的加工難度大。下麵以動力裝置中的鋁合（hé）金異形結構件蝸（wō）殼為例，探討其加工方法。
2結構特點及關（guān）鍵技術難點
2.1結構特點
案例1所（suǒ）示蝸殼為複雜的異形結構件，且屬於鏤空薄壁件（jiàn），蝸殼結構如（rú）案例2所示。從產品精度上看，蝸殼為關（guān）鍵（jiàn）精密（mì）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（ké）
a）正麵b）反麵
c）側視d）仰視（shì）
e）俯視
案例2蝸（wō）殼結構
2.2關（guān）鍵技術難（nán）點（diǎn）
（1）依據設計案例樣分析蝸殼關鍵（jiàn）尺寸精度如案例（lì）3所示，有多處幾何公差要求。
a）主視案例
b）俯視案例
c）剖視案例
案例3蝸殼關鍵尺寸精度
（2）從材料方麵（miàn）分析2A12-T4鋁合（hé）金的（de）機（jī）械加工性能良（liáng）好，其最大的特（tè）點（diǎn）是易變形。
（3）從產品結（jié）構方麵分析局部實體連接部分壁厚僅1～1.5mm，符合薄壁件（jiàn）結（jié）構特（tè）點。
（4）從加工工藝方（fāng）麵分析在保證產（chǎn）品精度的同時，如何控製產品的變形顯得尤為重要。
3毛坯製造及裝夾方案
3.1異形件假體毛（máo）坯的製造
異形件（jiàn）假體毛坯方案模型如案例4所示，其中綠色（sè）為工件，黃色圓形（xíng）為假體毛坯。假體毛坯（pī）設計（jì）思（sī）路如（rú）下。
a）正視（shì）案例b）側視（shì）案例c）俯視案（àn）例
案例4異形件假體毛坯方案模（mó）型
（1）從（cóng）工件的外形形狀分析設（shè）計假體毛坯時，一般優先考慮方形毛坯和圓形毛坯。因為方形毛坯方便（biàn）虎鉗裝夾，圓形毛坯方便自定心（xīn）卡盤裝夾，而蝸殼的外形形狀更貼近於（yú）圓（yuán）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工（gōng）件的結構（gòu）組成，需要五軸加工中心配合完成加工，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角方式。
（3）從（cóng）加工刀具的懸伸長度分析以工件中心為出發點，相對於方形毛坯刀（dāo）具懸伸的不均勻性，圓（yuán）形毛坯為等半徑（jìng）加工，刀具的懸伸長度不會出現或（huò）長或短現象。
綜（zōng）上所述，從（cóng）加工工件部位最大化的原則出發，重點考慮工（gōng）件加工過程中的剛性，最終確定假體毛坯方案，用圓形毛坯增大（dà）底部定位基準麵（miàn），高度與底部小凸台上平麵平齊（qí）。
3.2裝夾方案的製定
在假體毛坯的合適位置上，設計2處φ10mm紅色（sè）銷孔（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（àn）製定思路如下。
案例5基準孔和鎖緊孔
1）增（zēng）加（jiā）2處紅色φ10mm銷孔（kǒng）的目（mù）的，是與黃（huáng）色假體大平麵共（gòng）同形成“一麵（miàn）兩銷”的經典裝夾定位模式，為後序工裝設計（jì）做準（zhǔn）備，同時（shí）要求各工序（xù）工裝設計應遵循加工基準統一原則[2]。
2）增加4處M5紫色螺（luó）紋孔的目的，是可以通過螺釘反（fǎn）向拉緊的（de）方式固定工件本體，為（wéi）後（hòu）序工裝（zhuāng）設計做準備。
3）增加（jiā）5處φ4.2mm藍色圓形通孔的目的，是可以通（tōng）過螺釘正向鎖緊的方式固定工件本體，為後序工裝設計做準備。
綜上所述，裝夾（jiá）方案已經確定，工藝方案將以此展開。
4粗加工方案
4.1反麵第一次粗加（jiā）工反麵第（dì）一次粗加（jiā）工如案例6所示。采用（yòng）三軸加工中心加工，虎鉗（qián）裝（zhuāng）夾。
a）反麵（miàn）粗加工區域b）反（fǎn）麵開粗後的（de）仿真效果
案例6反麵第一次（cì）粗加工
1）虎鉗裝夾毛坯底（dǐ）部平行夾位，對（duì）原始圓形毛坯進行大餘量（liàng）開粗。
2）頂端大平麵留0.5mm餘量（liàng），加工各處銷孔、螺紋孔和圓形通孔至達到零件尺（chǐ）寸要求。
3）工件綠色區域單（dān）邊留0.3mm餘（yú）量。
工藝分析：①去除工件反麵大餘量毛（máo）坯，使產品反麵做初次應力釋放。②由於案例6a綠色區域因為有假體毛坯（pī）的輔助，具有一（yī）定的強度，所（suǒ）以（yǐ）單邊可以少留一（yī）點餘量，單邊留0.3mm餘量。
4.2正麵第一次粗加（jiā）工
正麵第（dì）一次粗加工采用三軸加工中心加工。正麵專用工裝設計如案例7所示。正麵第一次粗加工如案例8所示，粗加工所有綠色區域（yù），單邊留0.5mm餘量。
a）工件內部剖（pōu）視案例b）正麵工裝三維案例（lì）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8正麵第一次粗加工
工藝（yì）分析：①去除正麵大（dà）餘量毛坯，使產品正麵做初（chū）次應力釋（shì）放。②用三軸加工中心去除毛坯餘量，目的在於（yú）為後序五軸加工減輕質量和節省五軸（zhóu）加工時間。
正麵專用工裝設計思路如下。
1）定位麵設計。遵（zūn）循一麵兩銷的裝夾原則，如案例7b所示，綠色麵為定位麵（miàn），兩處紅色銷釘用於限位。
2）工裝排屑設計。如案例（lì）7a所示，由於工件內部凹腔結構特殊，在使用T形刀加工內部凹（āo）腔（qiāng）過程中，必然會（huì）產生大量切屑，隨著切屑（xiè）的增多，在切屑沒有順利排出的情況下，很有可能悶斷T形刀，因（yīn）此，在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）裝夾方式設計。根據工件假體上4處M5螺紋孔位置，對應（yīng）設計工裝鎖緊位置，用4顆M5內六角圓柱（zhù）頭螺（luó）釘反向拉緊工件，從而固定工件。案（àn）例8a中4個藍色零部件為M5內六角圓柱頭螺釘。
4.3正麵第二次粗加（jiā）工
正麵第二次粗（cū）加工如案例9所示，采用五軸加（jiā）工中心加工，專用工裝裝夾。如（rú）案例9a、案例9b所示，對工件（jiàn）所有紅色區域進行二次（cì）加工，單（dān）邊留0.3mm餘量；將工件所有綠色區域加工到位（即最終產品此（cǐ）處區域加工到位，不留餘量）[3]。加工仿（fǎng）真效果如案例9c、案例9d所示。
a）正麵加工區域b）旋轉180°視角的加工區域
c）加工仿真效果d）旋轉180°視角（jiǎo）的仿真效果
案（àn）例9正麵第二次粗加工
工藝分（fèn）析：由於根據產品結（jié）構和尺寸精度分析，得出案例（lì）9a、案例9b中綠色區（qū）域為減重區（qū）域，因此加工到位，同時（shí）也使產品正麵內應（yīng）力得到二次釋放。
5時效處理（lǐ）
為了消除（chú）工件（jiàn）加工過程中的內應（yīng）力，穩定工件（jiàn）基體組織，對工件進行時效處理。入爐溫度為室（shì）溫，升溫速度為127℃/h，保溫溫度為（185±10）℃，保溫時間為4～5h，降溫速度為43℃/h，冷卻方式（shì）為隨爐冷卻，出爐溫度為室溫。
6關鍵（jiàn）部（bù）位精加（jiā）工（gōng）方案
6.1基準麵的修正
（1）反麵基（jī）準麵修正（見案例10）設（shè）計軟爪鉗口專用工裝如案例10b所示。采用三軸加工中心加工，虎鉗配合專用工（gōng）裝裝夾，輕（qīng）夾工件最大外圓，加（jiā）工紅色大麵見（jiàn）光即可。在自由狀態下，基準平麵見光。
a）加工區域b）軟爪（zhǎo）鉗（qián）口工裝c）裝夾示意
案例10反麵基準麵修正
工藝分析：本工序其實就是修正熱處理後的基（jī）準（zhǔn）平麵。工件的自由狀態，是（shì）有剛性條件支撐下的狀態，通（tōng）俗來講，就是工件在當前（qián）狀態下本體強度好。精（jīng）度高的結構件，一定（dìng）要在精加工前使工件具有剛性。要為（wéi）精加工前的工件製造剛性條件，在（zài）剛性條件支撐下，再來修正基準平麵，而且修正量一定（dìng）要（yào）少，基準平麵見光即可。這就是在自由狀態下，修正基（jī）準平麵的含義。由於工件（jiàn）在去除圓形假體毛坯（pī）之前，是存在（zài）一定剛性的（de），在此基礎上修正基準麵，這樣的麵才是平的，所以說這（zhè）一工序十分關鍵。
軟爪（zhǎo）鉗口專用（yòng）工裝（見案例10b）的設計思路（lù）如下。
1）設計的出發點。既然是自由狀（zhuàng）態下修正基準（zhǔn）平麵，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（shǐ）工件（jiàn）出現彈性變形。
2）定位（wèi）麵的設計。如案例10b所示，3處紅色小麵為工件定（dìng）位麵，模擬點（diǎn）接觸方式支（zhī）撐工件，有效避免麵（miàn）與麵接觸的（de）不確（què）定因素。因為（wéi）是基準（zhǔn）麵的修正，工件底麵（miàn）重點在（zài）於支撐，而（ér）不（bú）是重在貼合，特別是熱處理後的工件定位麵，所以，此處點接觸定位麵的（de）設計方式為基（jī）準麵修複的又一關鍵點。
3）裝夾方式設計。如案例10c所示，模仿車床裝夾方式，為工件假體外圓設計軟爪工裝，嵌入式包夾（jiá）工件外圓。
（2）正麵基準麵修正及（jí）各孔精加工（見案例11）采用五軸加工中心加工，專用工裝裝夾，加工工件正麵標記的紅色（sè）大麵和兩處紫色麵，見光即可，保證麵與麵之間（jiān）的（de）距（jù）離公差±0.02mm。精加工工件（jiàn）正麵（miàn）紅（hóng）色標記的各圓孔、螺紋孔及（jí）側麵貫穿孔至成品尺寸（cùn）。
案例11正麵基（jī）準麵修正及各孔精加工
工藝分析如下。
1）正麵基準麵的修正。①因為工（gōng）件（jiàn）反麵基準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（zhèng）麵基準麵時，是（shì）允（yǔn）許垂直方向受力的，如案例11所示（shì），反麵基（jī）準麵貼緊工裝，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（hòu）序工裝的設計做準（zhǔn）備，保證定（dìng）位麵的一致性。如案例11所示，確定選取其（qí）中紅色大麵與最上麵的紫色麵為工裝（zhuāng）定位麵。③為什麽要修正中間（jiān）的（de）紫色麵。假設後工序工件的圓形假體毛坯去除後，出現了反麵（miàn）基準麵的二次變形，且造成後工序無法連接，這時就需要兩處紫色麵作為定位麵，結（jié）合工裝對反麵基準麵做二次修（xiū）正，意義在於為工藝方案本身（shēn）做預（yù）案，應對產品變形的不確定性。這一點也很重要。
2）反麵基（jī）準麵修（xiū）正（zhèng）後（hòu），且熱處理後的工（gōng）件主體狀態（tài）良好，可以加工工件各處圓孔（kǒng）、螺紋孔至成品（pǐn）尺寸，而且孔的加工不會影響正麵基準麵的修複。
6.2反（fǎn）麵精加工
反麵精加工專用工裝（zhuāng）設計如案例12所示。三（sān）軸加工中心加工（gōng），專用工裝裝夾。工件反麵精加工如案例13所示，先用6顆M5內（nèi）六（liù）角（jiǎo）圓柱頭（tóu）螺釘裝夾（jiá），精加工工件紅色區域，用挖腔的（de）方式（shì）加工紅色區域內的平麵、台階麵、凹腔及各圓孔至成品（pǐn）尺寸；然（rán）後程序暫停，如案例13b所示，內腔紅色區域內增加圓形壓板和內六（liù）角圓柱頭螺釘裝夾，加工綠色區（qū）域至成品尺寸；最後用落料（切（qiē）斷（duàn）銑）的方式加工工件最大外（wài）形側麵（見案例13c），使用φ2mm立銑刀（dāo）加（jiā）工外形至成品尺寸，去除假體毛坯。
a）工裝定位麵（miàn）及限（xiàn）位銷b）工裝實體
c）裝夾示意
案例12反麵精加工專（zhuān）用工裝設計
a）精加工紅色平（píng）麵及凹腔b）精加工綠色凹槽
c）精加工工件（jiàn）外形
案例（lì）13反（fǎn）麵精加工
工藝分析（xī）如下。
1）反麵（miàn）精加（jiā）工專（zhuān）用工（gōng）裝設計思路。①定位麵設計思路。依然遵循工序基準（zhǔn）統一的裝夾原（yuán）則，如案例12a所示（shì），兩處綠色麵為（wéi）定位麵（miàn），兩個紅色銷釘用於限（xiàn）位。②裝夾方式設計思路。根據工件圓形假體毛（máo）坯的圓孔位置，設計（jì）6顆內六角圓柱頭螺釘（見案例13a中6個藍色零部件（jiàn）），鎖（suǒ）緊工件外部（bù）。為防止工（gōng）件外（wài）形落料鋸斷時發生移動，根（gēn）據產品本身結構，尋找合（hé）適孔（kǒng）位，增加4顆內六角圓柱頭螺釘和1處圓（yuán）形（xíng）壓（yā）板（bǎn）（見案例13c工件（jiàn）內部5個藍（lán）色零（líng）部件），鎖緊工件內（nèi）部。
2）從產品（pǐn）精（jīng）加工（gōng）餘（yú）量分布情況看，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（bù）清根處理，由於加工內容（róng）較少，並（bìng）未發生大餘量切削，不會（huì）產生過多內應力，對工（gōng）件整體精度也不（bú）會造成影（yǐng）響，因此本工序可以全（quán）部加（jiā）工到位（wèi）。
3）重（chóng）點分析落（luò）料加工及加工（gōng）效果。①用類似銑槽的方法使工（gōng）件從毛坯上脫（tuō）落下來，一般（bān）底麵留0.1～0.15mm餘量。落料加（jiā）工的意（yì）義是避免局部大餘量銑削加工造成（chéng）工件因為內應力集中而導（dǎo）致最終變形。落料加工常用於外形、內腔及內孔有較大的材（cái）料（liào）去除的時候。②如案例13c所示，用落（luò）料的方法去除工件的（de）假體毛坯，加工內容較少，不會產生過多熱應力。③工件去除假體毛坯後（hòu），測量反麵基準平麵變形量（liàng）為0.016mm，而案例樣（yàng）要求的平麵度為0.03mm，符合案例樣要求，可進行後工（gōng）序加工。
6.3正麵精加工（gōng）
產品正麵精加工如案例（lì）14所示。五軸加工中心（xīn）加工，設計（jì）正麵精加工專用工裝裝（zhuāng）夾。如（rú）案例14c所示，精（jīng）加工工件正麵上有紅色標記的各平麵、外圓、台階麵及4處小（xiǎo）圓（yuán）孔至成品尺（chǐ）寸。
a）工裝定位麵及限位銷（xiāo）b）裝夾示（shì）意
c）正麵精加（jiā）工（gōng）區域
案例14正麵精加工
工藝分析如下（xià）。
1）正麵精加工專（zhuān）用工裝設計思路。①定位麵設計（jì）思（sī）路。依然遵（zūn）循一麵兩（liǎng）銷裝夾原則（zé），如案例14a所示，綠色麵為定（dìng）位麵，兩處紅色（sè）銷釘用於（yú）限位。②裝夾方式設計思路。根據工件底部有多處凸耳的結構特點，如案例14b所示，采用多壓板裝夾工件底部凸耳（ěr）的方式（shì）。
2）如（rú）案例14c所示，工件上各處紅色區域單（dān）邊餘量隻有0.3mm，加工內容較少，不會產生過多內應（yīng）力，對工件整體精度也（yě）不會造成影響，本工序可以全部加工到位。
7結束語
異形件精密蝸（wō）殼按（àn）照上（shàng）述（shù）工藝方案加工完成後，嚴格按照案例樣要求檢測，檢測結（jié）果符合案例樣要求。
鋁合金異形結構件蝸殼的整個工藝開發過程，技術關鍵點主要體現在4個（gè）方麵：①從鋁合金異形結構件的結構特（tè）點出發，建立合（hé）理且規則的假體毛坯，利用假體毛坯轉化成工件的定（dìng）位裝夾基準，方便後序的裝夾。②著重考慮產（chǎn）品在裝夾過程中的受力方向（xiàng），遵循基準統一的原則設計工裝。③讓（ràng）工件在自由狀（zhuàng）態下裝夾，消除工件基準平麵的變（biàn）形。④在產品加工過程中（zhōng），多次釋放內應力。4個方（fāng）麵相輔相成，使高精密異形件產品得以完（wán）成。
專家點評
本例中蝸殼零件壁薄、鏤空且形狀複雜，作者針對零件的結構特點及關鍵技術（shù）難點進行工藝分析並製定完（wán）整的工藝方案，從4個方麵采取工藝改進措施，建立（lì）假體毛坯並遵循基準統一的原則設計工裝，在自由狀態（tài）下裝夾工件，並（bìng）在加工過程中多次釋放（fàng）內部（bù）應力，在保證產品精度的同時（shí）有（yǒu）效控製了變形。
文章內容嚴謹，論據充分，建模清晰，案例文並茂，亮點是關鍵（jiàn）部位精加工方案，在工件自由（yóu）狀態下修正基準平麵，消（xiāo）除變（biàn）形誤（wù）差（chà）。結（jié）尾部分也總結概括得很好，融（róng）會貫通，簡明扼要。
參考文獻：
[1]曾正明.機械工程材料手冊[M].北（běi）京（jīng）：機械工業出（chū）版社，2009.
[2]餘光國，馬俊.機床夾具設計[M].重慶：重慶大學出版社，1995.
[3]陳宏（hóng）鈞.實用機（jī）械（xiè）加工工藝手冊[M].3版.北京（jīng）：機械工業出版社，2009.
本文發表於《金屬（shǔ）加工（冷加工）》2023年第12期第22~27頁，作（zuò）者：成都劍澗優能（néng）航空設備製造有（yǒu）限公司白雪（xuě）坤，原標題：《異形薄（báo）壁件精密（mì）蝸殼加工工藝》。
-End-
