基于復(fù)雜薄壁箱體加工變形控制的工藝方法研究

張曉輝 端木學(xué)龍 陳建軍

摘要：鋁合金柴油機(jī)上曲軸箱體具有結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)腔復(fù)雜的特征，其中箱體最小壁厚為5 mm，是典型的復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件。在加工過程中，復(fù)雜薄壁構(gòu)件由于受材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、加工裝夾方式及切削力等因素的影響，容易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響加工精度和表面質(zhì)量?，F(xiàn)從柴油機(jī)復(fù)雜薄壁箱體的結(jié)構(gòu)和精加工結(jié)合面加工難點(diǎn)入手，結(jié)合導(dǎo)致復(fù)雜薄壁構(gòu)件加工變形的各種影響因素，制定合理的加工工藝方案，研究控制變形的最佳方法，并通過實(shí)際加工驗(yàn)證了該加工工藝方法的可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜薄壁箱體;精加工結(jié)合面;變形控制;工藝方法

1 研究背景及意義

近年來，隨著大功率柴油機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)速的大幅提升，柴油機(jī)關(guān)鍵支撐件箱體在結(jié)構(gòu)上更為緊湊，集成度更高，大量采用薄壁零件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、壁薄、剛度小和精度要求高的特點(diǎn)。

機(jī)體作為柴油機(jī)關(guān)鍵零部件之一，其結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)腔復(fù)雜、設(shè)計(jì)精度高，是一個(gè)典型的復(fù)雜薄壁箱體零件。由于薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工過程中容易產(chǎn)生加工變形，嚴(yán)重影響產(chǎn)品加工質(zhì)量。為此，本文開展復(fù)雜薄壁箱體加工變形控制的工藝研究，從降低殘余應(yīng)力、改進(jìn)裝夾方式、優(yōu)化加工工藝方法等多方面進(jìn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證，以保證產(chǎn)品加工精度。開展該項(xiàng)工藝方法研究，為控制復(fù)雜薄壁零件加工變形提供了有效的解決辦法，并且對(duì)提高薄壁零件的加工精度和表面質(zhì)量具有重要的參考價(jià)值。

2 復(fù)雜薄壁箱體的結(jié)構(gòu)分析與加工難點(diǎn)

2.1? ? 復(fù)雜薄壁箱體的結(jié)構(gòu)分析

本文研究對(duì)象為某型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體的上曲軸箱體，該曲軸箱體為大型整體薄壁零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)精度高，具有空腔和壁薄等特點(diǎn)。箱體材料為鋁合金，尺寸約913 mm×695 mm×450 mm，最小壁厚5 mm，最大壁厚49 mm。

本次試驗(yàn)主要以精加工結(jié)合面工序?yàn)檠芯繉?duì)象。上曲軸箱體結(jié)合面示意圖如圖1所示，箱體結(jié)合面主要包含高精度主軸承蓋定位安裝面及安裝支撐面、精度較高的定位銷孔及安裝孔。

精加工結(jié)合面工序的主要加工內(nèi)容為：（1）油底殼安裝面;（2）主軸承蓋定位安裝面;（3）主軸承蓋安裝開檔;（4）結(jié)合面螺栓孔;（5）縫合螺栓孔;（6）定位套銷孔;（7）主軸承蓋安裝隔板。

2.2? ? 結(jié)合面精加工難點(diǎn)

在復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件加工過程中，導(dǎo)致薄壁件變形的因素有很多，例如零件材料、內(nèi)部應(yīng)力、加工設(shè)備、刀具、工具裝夾、走刀路線、切削參數(shù)、切削熱等。其中影響變形的主要因素有材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、夾具裝夾力、加工過程中的切削力。

根據(jù)上曲軸箱體A-A剖視圖（圖2）、上曲軸箱體C-C剖視圖（圖3）可知，上曲軸箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)合面精加工的尺寸及位置精度要求較高，且對(duì)表面粗糙度有著極為嚴(yán)格的要求，加工難點(diǎn)主要如下：

（1）該上曲軸箱屬于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)，且精加工結(jié)合面中的尺寸精度要求較高，需要選擇合理的裝夾方式，以減少工件的變形，保證尺寸精度與穩(wěn)定性。

（2）定位套銷孔距主軸孔中心距離為（87±0.02）mm，主軸承蓋安裝開檔要求為：寬度224+0.05 +0.079 mm，平面度0.02 mm，垂直度0.05 mm，表面粗糙度1.6 mm，加工難度較大，需要確定合理的工藝流程及加工余量，以最大程度降低切削力，減小變形，保證達(dá)到定位套銷孔坐標(biāo)要求及主軸承蓋安裝開檔的尺寸和形位公差要求。

（3）主軸承蓋安裝隔板成品寬度350 -0.2 mm，表面粗糙度Ra3.2 mm，根部圓角R8 mm，端面加工范圍較大，R角部分切深較深，加工時(shí)切削力較大，易產(chǎn)生應(yīng)力變形，需選擇合理的加工刀具及合適的切削參數(shù)。

3 復(fù)雜薄壁箱體的加工工藝方案

3.1? ? 加工工藝方案

本文通過分析該復(fù)雜薄壁箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精加工結(jié)合面加工難點(diǎn)，制定了以下兩種加工工藝方案，具體如表1所示。

3.2? ? 兩種加工工藝方案比較分析

對(duì)比兩種工藝方案，發(fā)現(xiàn)方案二與方案一的主要區(qū)別如下：

首先，方案二將切削力較大的主軸承蓋安裝隔板加工安排在工序的最開始，半精加工去除多余的材料，兩側(cè)均留余量0.8 mm，在精銑時(shí)，分兩次加工，盡量減小切削力，降低因切削力大而產(chǎn)生的變形;同時(shí)，安排多次加工，通過合理設(shè)置半精加工、精加工間隔時(shí)間，來散掉切削加工熱量，減小變形。

其次，在主軸承蓋安裝隔板加工完成后，采用“先松開工件，再重新壓緊工件”的步驟，可以消除局部殘余應(yīng)力，同時(shí)，間隔時(shí)間也有利于散掉切削加工熱量，消除因切削熱產(chǎn)生的變形，保證了后期銷孔坐標(biāo)、開檔寬度的穩(wěn)定性。

最后，分別以上述兩種加工工藝方案加工，加工后主軸承蓋安裝開檔及變形情況如表2所示。顯然，相較于方案一，采用方案二加工的零件，其加工變形得到有效控制，變形量降低到可接受范圍內(nèi)。

4 復(fù)雜薄壁箱體的變形控制方法

本節(jié)主要針對(duì)3.1節(jié)中所述的加工工藝方案二，從降低殘余應(yīng)力、改進(jìn)工件裝夾方式、優(yōu)化加工工藝方法三方面，研究探討某型號(hào)柴油機(jī)的上曲軸箱體在結(jié)合面精加工過程中的變形控制方法。

4.1? ? 降低材料殘余應(yīng)力

為了提高機(jī)械加工的精度及穩(wěn)定性，首先，在毛坯轉(zhuǎn)入機(jī)械加工之前，先進(jìn)行一次振動(dòng)時(shí)效處理。通過振動(dòng)，讓毛坯內(nèi)部某些部位的殘余應(yīng)力與振動(dòng)載荷疊加，使其超過材料的屈服強(qiáng)度而引起局部塑性變形，進(jìn)而使內(nèi)應(yīng)力重新分布，達(dá)到降低內(nèi)應(yīng)力的效果。其次，在結(jié)合面精加工之前，再進(jìn)行一次振動(dòng)時(shí)效處理，使工件內(nèi)部應(yīng)力得以均化，減小零件形變，保證產(chǎn)品后期精加工尺寸的穩(wěn)定性。

4.2? ? 改進(jìn)裝夾方式

針對(duì)該上曲軸箱體的結(jié)合面精加工工藝，通過分析該復(fù)雜薄壁箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)，制定了以下兩種加工裝夾方案，如表3所示。

裝夾方案一的優(yōu)點(diǎn)：不用設(shè)計(jì)專用的工裝夾具，而是在曲軸箱上找取合適部位裝夾，主要適用于產(chǎn)品首次小批次試制。

裝夾方案一的缺點(diǎn)：由于壓緊力與支撐力方向相反但不在同一軸線上，無法達(dá)到平衡狀態(tài)，在裝夾力的作用下，箱體會(huì)發(fā)生變形，內(nèi)部形成裝夾應(yīng)力場(chǎng)并產(chǎn)生相應(yīng)的位移，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“欠切”或“過切”現(xiàn)象，從而造成箱體幾何誤差變形。

裝夾方案二的優(yōu)點(diǎn)：V型夾具的輔助支撐與曲軸箱使用面接觸的方式，使承力面受力更均勻，且接觸范圍大，增強(qiáng)了薄壁件的切削整體剛性。同時(shí)，壓緊力與支撐力方向相反且在同一軸線，達(dá)到平衡狀態(tài)，從而減小了切削過程中的振動(dòng)，減小變形量。

裝夾方案二的缺點(diǎn)：需要投入人力、物力設(shè)計(jì)和制造專用夾具。該方案主要適用于后期產(chǎn)品的大批量加工，保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

在首次試制和后期批量生產(chǎn)中，本文分別以兩種裝夾方式進(jìn)行試驗(yàn)，采用百分表點(diǎn)接觸曲軸箱體的前、后、左、右4個(gè)方向，觀察并記錄4個(gè)方向在壓緊與放松狀態(tài)下的變化量，記錄結(jié)果如表4所示。

如表4所示，在壓緊與放松狀態(tài)下，采用裝夾方案一得到的數(shù)據(jù)顯示，橫向、縱向都呈現(xiàn)無規(guī)律變化趨勢(shì);采用裝夾方案二得到的數(shù)據(jù)顯示，其變化趨勢(shì)呈規(guī)律性，且變化量較小。顯然，裝夾方案二對(duì)控制薄壁箱體加工變形更有效。

4.3? ? 優(yōu)化加工工藝方法

結(jié)合面精加工工序，主軸承蓋安裝開檔作為曲軸箱的關(guān)鍵部位，其加工精度及表面質(zhì)量要求較高（寬度224+0.05 +0.075 mm，表面粗糙度要求Ra1.6 mm，平面度0.05 mm）。該部位加工深度較深且空間局限，所以初次選用加長立銑刀分層加工的方法。在加工過程中發(fā)現(xiàn)，由于刀具較長，加工側(cè)壁時(shí)，在銑削力的作用下，側(cè)壁會(huì)發(fā)生彈性變形，使銑削部位產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象;銑刀經(jīng)過之后，側(cè)壁彈性變形恢復(fù)，造成加工面少切現(xiàn)象，使加工表面的實(shí)際位置與理論位置出現(xiàn)偏差，從而形成表面尺寸誤差，難以保證加工精度。

通過分析加工部位及加工設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了使用機(jī)床附件銑頭并配合面銑刀在狹小空間加工的工藝方法，該方法主要將立銑刀側(cè)銑方式改為面銑的加工方式。面銑刀加工時(shí)，多個(gè)刀刃參與切削，工作平穩(wěn)性好，同時(shí)，面銑刀刀片選用45°主偏角的刀片，主偏角越小，其徑向切削力越小，抗震性也越好。經(jīng)過優(yōu)化后，切削力明顯減小，振動(dòng)值顯著降低，表面加工質(zhì)量及加工效率得到明顯提升。

實(shí)際加工中，前后期分別使用兩種加工方式進(jìn)行加工，表5為使用兩種不同刀具加工主軸承蓋安裝開檔表面質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)表。顯然，面銑加工方式明顯優(yōu)于立銑刀側(cè)銑加工方式。

5 結(jié)語

本文主要以某型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體的上曲軸箱體的結(jié)合面精加工工序?yàn)檠芯繉?duì)象，首先針對(duì)該復(fù)雜薄壁箱體的特點(diǎn)及其工序加工難點(diǎn)進(jìn)行分析;其次，通過兩種加工工藝方案的比較，選擇合適的加工工藝方案;最后，從降低殘余應(yīng)力、改進(jìn)裝夾方式、優(yōu)化加工工藝方法三方面闡述了加工過程中控制復(fù)雜薄壁箱體變形的措施，并在實(shí)際操作過程中對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)踐證明，這些措施不僅適用于此次試驗(yàn)對(duì)象，還可應(yīng)用于同類型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形控制中。

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