高同軸度雙叉臂鋁鑄件孔系加工工藝技術探索

劉建養(yǎng)　邊培瑩　侯衛(wèi)權

(①西安導航技術研究所，陜西 西安710068；②西安文理學院，陜西 西安 710065)

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高同軸度雙叉臂鋁鑄件孔系加工工藝技術探索

劉建養(yǎng)①邊培瑩②侯衛(wèi)權①

(①西安導航技術研究所，陜西 西安710068；②西安文理學院，陜西 西安 710065)

介紹了具有高同軸度孔系要求的雙叉臂結構鋁鑄件的結構特點和加工技術。詳細闡述了該類工件加工過程中的注意事項，總結出了精度誤差對比補償修正方法，對從事高精度零部件加工工藝技術和操作人員具有一定的參考作用。

高同軸度；叉臂鑄件；變形；加工

1　叉臂類零件的用途和加工特點

叉臂類零件在工業(yè)產品結構設計中應用很廣泛，主要分為用于一般執(zhí)行末端功能的叉臂類零件和用于傳動功能的叉臂類零件兩種。前者如撥叉、叉子等，精度要求低，尺寸相對也較?。缓笳呤禽S系支承設計中的一個分支，小到如作為軸系萬向傳動中的零部件、叉車、吊車中以及變速箱等的零部件，大到如作為隨動跟蹤型衛(wèi)星地面天線、火炮及各種載體上通信和雷達產品傳動天線底座等。

從加工角度上來講，大尺寸的叉臂類零件加工難度遠遠要比小尺寸叉臂類零件難得多。本文就以作為某通信產品天線支撐底座為功能用途的大尺寸、弱剛性雙叉臂鋁鑄件作為加工對象，展開加工工藝探索研究。

2　某產品天線座的結構特點

作為天線底座支撐和傳動的叉臂形零件，又分為懸伸直叉臂形結構和懸伸斜叉臂形結構兩種。懸伸直叉臂形結構一般可以滿足較大形天線對水平面以上空間的探索；懸伸斜叉臂形結構是為了滿足天線搜索水平面以下負角度目標和水平面以上目標而改進設計的。他們的共同特點是叉臂上的孔系同軸度要求高，孔系公共軸線對安裝底面平行度要求高。

從具體結構上來看，大尺寸天線座一般采用將兩叉臂和底座分開制作，最后再組裝到一起，進行精加工或者精密修配來達到結構精度要求。中小尺寸的天線座或具有特殊要求的天線座，一般采用整體鑄造結構或板材拼裝焊接形成整體結構。

如圖1所示，就是某產品天線座結構示意圖，寬×高尺寸約1 100 mm×1 000 mm。要求重量輕、結構強度高、抗沖擊能力強。其結構采用ZL101A材料整體鑄造而成，熱處理狀態(tài)T4，頂部左右支臂上的6處孔系(孔直徑均在φ200H7 mm以上)同軸度要求達到0.02 mm。頂部孔系公共軸線對底部圓盤底面平行度要求小于0.04 mm。對工藝人員和加工人員而言，是一款典型的結構整體剛性低、加工過程中易產生振動、變形的工件，精度要求近乎苛刻。

3　加工工藝方案制定

3.1加工中相關問題和工藝路線的考慮

對于這類叉臂形工件，如何防止加工過程中的變形和振動是最主要的問題。

由于叉臂頂部孔系和底部圓盤底面及側面型腔等均需要加工，所以必須將底部圓盤底面加工放在前頭。同時，在粗加工階段，要去除頂部孔系的大余量可能會引起較大的振動并產生一定的塑性變形和彈性變形。所以要留足夠的余量。按照經驗，我們將毛坯單邊余量確定在2 mm。裝夾時，為了提高工件系統(tǒng)剛性，減小振動和變形，我們在兩個叉臂靠近頂部圓孔的后側各鑄造了一個工藝凸臺(圖1中左視圖雙點劃線部分)，工藝凸臺沿叉臂內側面各加工一個槽子，用于安裝壓板。這樣就形成了最初的工藝方案：

鑄造(熱處理)→鉗工劃線→粗加工→人工時效→半精加工→人工時效→精加工→去除工藝凸臺→鉗工打磨并完成其它工作。

粗加工時，直立狀態(tài)用臥式加工中心銑工藝凸臺上的壓板槽和側基準面；臥式狀態(tài)用面銑刀粗加工底部圓盤端面和用三面刃銑刀去除兩叉臂頂部孔系大余量，留余量單邊2 mm。

半精加工內容和粗加工階段基本相同，先加工側基準面和底基準面以及頂部孔系，除底部圓盤端面和頂部孔系單邊留余量0.5 mm以外，其余特征全部加工到尺寸要求。

精加工為降低重心，選擇在臥式狀態(tài)精加工底部圓盤端面，然后精鏜頂部孔系至要求。

3.2雙叉臂鋁鑄件加工過程和其中出現的問題

按照上述思路，我們進行了該工件的加工工藝試驗，在精加工完成后未去掉工藝凸臺前用三坐標檢測，發(fā)現頂部孔系的同軸度和與底面平行度尚能滿足圖紙要求，但放置一段時間后，工件叉臂即呈張開態(tài)勢變化，同軸度出現超差，去掉工藝凸臺后，不但叉臂張開變形加劇，還產生了叉臂扭轉變形，使得精度進一步惡化，根本無法滿足圖紙要求。

4　加工工藝改進

經分析，變形肯定是由于內應力釋放造成的，工藝凸臺體積較大，且集中于一個地方，去除工藝凸臺后，由于去除材料引起了新的內應力，造成了工件內應力的重新分布，所以又附加產生了叉臂扭轉變形。要消除這些變形，最主要的還是要盡可能消除或者減小工件內應力。

在后續(xù)的試驗過程中，還考慮了增加人工時效和振動時效的方法，但最終發(fā)現，經過熱處理的鑄件，想在短時間內通過人工時效的方法減小和消除內應力是不可能的。振動時效雖然通過頻率共振的方法，降低了應力峰值、分散了應力的集中分布區(qū)域，但并不能消除內應力，故對加工后減小鑄件變形或者在振動時效的同時附加矯正措施消除已經產生的變形，其作用幾乎看不出來。

經過反復的檢測和觀察，終于發(fā)現了應力變形的規(guī)律：當一個工件由于內應力的作用產生某一變形后，它的變形方向就被固定了下來。也就是說，變形只會沿著最早發(fā)生的方向繼續(xù)呈衰減式的發(fā)生，直到應力消失，工件形狀和尺寸才能達到穩(wěn)定。

基于這一觀點，經過研究認為，工件最后的使用狀態(tài)是立式狀態(tài)，精加工也就應該在接近最終使用要求的立式狀態(tài)下進行，在加工過程中，應該減小切削用量，合理使用切削參數，避免大切削用量給工件帶來的塑性變形、彈性變形和由此引發(fā)的切削區(qū)產生內應力。在工件裝夾方面，應盡量使工件基準平整，減小工件裝夾帶來的彈性變形，避免松開工件時，彈性變形恢復引起的工件精度超差。

半精加工階段要完成所有一般特征的加工，并去掉工藝凸臺，再通過人工時效與自然時效相結合的方式將精加工分為2～3次進行，以實現最高的孔系同軸度精加工要求。

5　新的工藝流程

汲取以前的教訓，制定了新的工藝流程：鑄造(熱處理)→鉗工劃線→粗加工→人工時效→半精加工→人工時效→粗研磨基準面→初期精加工→自然時效→精研基準面→中期精加工→三坐標測量孔系同軸度及各孔坐標位置→修正坐標并最終精加工。

可以看出，在該工藝中，采取了多次研磨、多次時效、多次精加工的原則，將三坐標測量的離線檢測精度數值與機床加工的在線檢測數值作對比，以三坐標檢測數值為依據(因為最終驗收以三坐標測量機檢測數值為準)，結合在線檢測數值修正調整加工坐標，最終保證了零件尺寸精度。

6　加工中的注意事項

6.1彈性變形的控制

在此類工件的加工過程中，彈性變形的來源主要分為裝夾引起的彈性變形和切削過程中切削引起的彈性變形。前者主要通過精整基準面和調整裝夾位置來解決，裝夾過程中可以借助百分表觀察和控制彈性變形的量值。后者，則需要通過控制切削參數的方式來實現，尤其在精加工時，應盡量減小切削深度和進給速度，使切削力有效減小，避免引起彈性變形。

6.2塑性變形的預防

塑性變形在此類工件加工過程中很少產生，主要由于野蠻裝夾或者撞擊等原因造成，一般可以不必過多考慮。

6.3應力變形的控制

人工時效雖然有著時間短的優(yōu)點，但消除應力不徹底，對于精度等級要求高的工件，微弱的殘余應力緩慢釋放仍將引起工件變形。對于T4狀態(tài)鋁合金鑄件而言，澆鑄溫度680～740 ℃，淬火后回火溫度為535±5 ℃；而人工時效的溫度為120 ℃左右，溫度區(qū)間相差較大，所以人工時效效果幾乎看不出來。但對冷熱軋制的鋁合金板材(尤其薄板)而言，人工時效的效果就要明顯得多了。

振動時效可以降低應力集中程度，使應力分布相對均勻化，但不能消除應力，所以對鋁合金鑄造叉臂形工件而言，也沒有什么效果。

最好的方法還是要經過自然時效來消除內應力，但由于生產周期等原因，時間有限，可以采取人工時效和自然時效相結合的方法。在工件的粗、半精加工階段采用人工時效，在精加工階段，采取自然時效，讓工件在放松狀態(tài)下，自然時效2～3天，再進行下一步的精加工，充分利用應力衰減規(guī)律，就可以有效減少內應力釋放引起的工件精度超差問題。

6.4孔系同軸度數值的對比補償修正

6.4.1對比補償修正原理

對比補償修正就是將實際加工數值與要達到的數值進行比對，將兩者間的誤差通過添加補償的方式在加工程序中予以修正。修正的時機，一般都放在精加工前，因為此時工件一般特征都已達到尺寸要求，最后的精加工部位所留余量已經很少，殘余應力很小而且釋放方式和釋放方向也已經固定，此事經過補償修正，孔系的同軸度不但能滿足工件的要求，而且不會再產生大的波動。

6.4.2對比補償修正方法

要實現對比補償首先要獲取孔系各孔的空間坐標，然后對其進行三維數據分析。在精加工前先利用三坐標測量機進行離線測量，測量孔系同軸度，獲取各孔中心的空間坐標，并利用三維設計軟件，根據圖紙?zhí)峁┑幕鶞剩⑾盗锌椎耐S度三維實體圓柱模型，觀察分析各個孔中心點在同軸度圓柱模型中的位置，對超出同軸度圓柱模型的孔中心點所對應的孔計算出偏差修正值，在精加工中以在線測量的坐標為基準予以補償修正，從而使該孔的同軸度滿足圖紙要求。

6.5基準研磨(粗研磨和精研磨)

研磨基準的目的是為了消除加工時因基準變形而導致的工件裝夾彈性變形。

粗研磨的目的是為了消除工件在半精加工期間，鑄件因殘余內應力釋放而給基準面帶來的變形，為最后的精加工做準備。精研磨是在精加工前對工件基準面進行的最后一次研磨，目的是為了消除半精加工過程和半精加工后自然時效期間工件因內應力釋放產生的變形，此時的研磨量已經很小。

6.6設備選擇

由于該工件的同軸度精度相對很高，達到了IT4～5 級，所以在精加工階段，補償值的累加就對設備的定位精度和重復定位精度提出了很高的要求。要求設備的運動能精確地反映出細微的修正累加值的變化。同時，最好做到加工設備的精度等級比三坐標測量設備的精度高一個等級為好。

筆者單位采用的是世界著名的老牌精密機床制造商——瑞士DIXI公司設計、制造的JIG1200型精密數控臥式四軸聯動坐標鏜銑床。該設備主體采用圓球三點支撐，采用中空絲杠油冷技術，減少了加工中進給軸產生熱量引起的進給軸線性尺寸變化；同時該設備采用主體與輔助部分分離的設計模式，將配電柜、刀庫、液壓系統(tǒng)等與機床主體分離，有效減小了振動和熱源影響，保證了機床設計精度。其定位精度達到2 μm，重復定位精度達到1 μm，工作臺回轉精度2″，有效保證了工件對加工設備的要求。

6.7刀具選擇

工件在粗加工過程中，一方面要考慮應力釋放，另一方面主要考慮加工效率，因此會選擇大一些的切削參數，刀具的選擇也就以耐磨為前提。半精加工和精加工時，由于一部分特征要成型，所以刀具的選擇就要以鋒利為主，一方面要保證被加工特征的尺寸精度，另一方面要盡可能減少切削力帶來的工件彈性變形和內應力產生。

6.8鏜刀桿懸伸長度控制

加工過程中，應采用工件移動、鏜刀桿懸伸長度鎖定的方式進行加工，以避免鏜刀桿不同懸伸長度引起的下垂量不同對加工精度和精確補償措施的實施帶來影響。

6.9切削參數的選擇

叉臂形工件屬于弱剛度結構工件，切削參數選擇不當不但容易引起工藝系統(tǒng)振動，使得加工質量變差；還會因為切削過程產生的殘余應力對工件的抗腐蝕性、疲勞壽命和尺寸的穩(wěn)定性等有重要影響。H.S.Shang[1]利用實驗和有限元分析的方法對切削過程中軋制鋼板的殘余應力變化及彎曲變形進行了研究，指出了殘余應力會引起加工變形，并且存在最佳的材料去除率使鋼板的彎曲變形量達到最小。也有很多學者通過對不同加工條件下產生的殘余應力分布規(guī)律進行分析，得出了如下結論[2]：隨著切削速度的增加，殘余應力有向拉應力方向增大的趨勢；當切削深度較大時，隨著切削深度的增加，殘余應力有向殘余拉應力增大的趨勢，當切削深度較小時，此趨勢不明顯；厚度不均勻的弱剛度結構件在切削過程中，將其切削工步變?yōu)榈群穸惹邢骺梢援a生分布較為均勻的殘余應力，但對于殘余應力的大小影響并不明顯。

因此，要完全消除加工過程中使零件產生變形的內應力(拉應力)是完全不可能的，只有通過改變切削參數的合理搭配，使工件所留的殘余應力盡可能小并且使其分布均勻化，才是達到保持零件尺寸精度穩(wěn)定性的有效手段。

在鑄鋁合金叉臂形零部件加工過程中，粗加工階段可以考慮以去除材料的效率為目標，但在精加工階段就要考慮以保證零件的最后精度和尺寸穩(wěn)定性為目標。因此，在精加工階段，應盡可能考慮降低切削速度，減少并且使用等切削深度、等切削速度的方法來分步實現精加工，使其達到最后要求的尺寸。我們建議Vc≤15 m/min，Ap≤0.1 mm。

6.10環(huán)境溫度的控制

筆者單位加工該叉形零件時，精密坐標鏜床和三坐標測量機同處一室，故而加工和檢測的環(huán)境溫度是相同的，有利于正確地獲得零件的實際加工精度和檢測精度。如果兩者不在一室，則需要考慮環(huán)境溫度變化引起的熱脹冷縮對零件加工精度和檢測精度的影響。由于兩組孔不在同一實體部位上，所以這里的補償不能簡單地按照線性膨脹系數的概念和公式換算補償值，需要經過大量試驗獲得經驗數值經行補償修正。這是叉形零件高精度叉臂形零件同軸孔系加工與其他零件同軸孔系加工最不相同的地方。

6.11半精鏜孔時孔不圓問題的解決和冷卻液應用

鑄件加工中，會經常碰到孔鏜不圓的問題，除了零件剛性不足自然變形的原因外，主要是由于鑄件材料成分不均和熱處理后硬度不均勻引起的。這種情況在半精加工和精加工階段容易出現。由于半精加工和精加工階段，切削時刀具每次吃刀深度較小，單刃鏜刀剛性也較差，遇到硬點容易產生讓刀；再加上冷卻液的潤滑作用，使得讓刀更為明顯，此時，最好關掉機床冷卻液，甚至不要用臟手去摸被鏜孔壁，以避免任何讓刀因素。

7　結語

綜上所述，彈性變形和塑性變形是叉臂形鋁鑄件加工過程中可以盡力控制和避免的因素；環(huán)境溫度控制、切削用量控制和人的因素是保障加工精度必不可少的環(huán)節(jié)；內應力釋放引起的工件變形，是影響同軸度數值的主要原因；而人工時效與自然時效的結合，誤差對比補償修正方法的應用和機床精度的保障是加工此類高精度零件的核心。

[1]Shang H S. prediction of dimensional in stability resulting from machining of residually stressed components.[D]. Texas : Texas Teeh University,1995

[2]張純喜.弱剛度結構件切削加工殘余應力的研究[J].新技術新工藝,2015(2)：96-99.

[3]劉紅霞.L型精密托架零件兩端孔距加工誤差的控制與補償[J].航空制造技術，2015(1)：126-127.

(編輯李靜)

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Machining technology research of high coaxial accuracy holes for double fork arm aluminum casting parts

LIU Jianyang①, BIAN Peiying②, HOU Weiquan①

(①Xi’an Research Institute of Navigation Technology, Xi’an 710068, CHN;②Xi’an University, Xi’an 710065, CHN)

This paper introduces the feature of structures and machining technology of high coaxial accuracy holes for double fork arm aluminum casting part. In detail elaborates the consideration of this kinds of parts processing. Contrast error compensation correction methods are summarized. To the technical personnel and workers who engaged in precision parts machining has a certain reference function.

high coaxial; fork-arm part; out of shape; machining

TH161+3

B

劉建養(yǎng)，男，1967年生，高級工程師，主要從事數控加工工藝及編程工作。

2015-10-20)

160542