劉建養(yǎng)　邊培瑩　侯衛(wèi)權(quán)

(①西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安710068；②西安文理學(xué)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(shù)探索

劉建養(yǎng)①邊培瑩②侯衛(wèi)權(quán)①

(①西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安710068；②西安文理學(xué)院，陜西 西安 710065)

介紹了具有高同軸度孔系要求的雙叉臂結(jié)構(gòu)鋁鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工技術(shù)。詳細(xì)闡述了該類工件加工過程中的注意事項(xiàng)，總結(jié)出了精度誤差對(duì)比補(bǔ)償修正方法，對(duì)從事高精度零部件加工工藝技術(shù)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(diǎn)

叉臂類零件在工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(dòng)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(duì)也較??；后者是軸系支承設(shè)計(jì)中的一個(gè)分支，小到如作為軸系萬向傳動(dòng)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(dòng)跟蹤型衛(wèi)星地面天線、火炮及各種載體上通信和雷達(dá)產(chǎn)品傳動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)要比小尺寸叉臂類零件難得多。本文就以作為某通信產(chǎn)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(duì)象，展開加工工藝探索研究。

2　某產(chǎn)品天線座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為天線底座支撐和傳動(dòng)的叉臂形零件，又分為懸伸直叉臂形結(jié)構(gòu)和懸伸斜叉臂形結(jié)構(gòu)兩種。懸伸直叉臂形結(jié)構(gòu)一般可以滿足較大形天線對(duì)水平面以上空間的探索；懸伸斜叉臂形結(jié)構(gòu)是為了滿足天線搜索水平面以下負(fù)角度目標(biāo)和水平面以上目標(biāo)而改進(jìn)設(shè)計(jì)的。他們的共同特點(diǎn)是叉臂上的孔系同軸度要求高，孔系公共軸線對(duì)安裝底面平行度要求高。

從具體結(jié)構(gòu)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(jìn)行精加工或者精密修配來達(dá)到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或板材拼裝焊接形成整體結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，就是某產(chǎn)品天線座結(jié)構(gòu)示意圖，寬×高尺寸約1 100 mm×1 000 mm。要求重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)。其結(jié)構(gòu)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(dá)到0.02 mm。頂部孔系公共軸線對(duì)底部圓盤底面平行度要求小于0.04 mm。對(duì)工藝人員和加工人員而言，是一款典型的結(jié)構(gòu)整體剛性低、加工過程中易產(chǎn)生振動(dòng)、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(guān)問題和工藝路線的考慮

對(duì)于這類叉臂形工件，如何防止加工過程中的變形和振動(dòng)是最主要的問題。

由于叉臂頂部孔系和底部圓盤底面及側(cè)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(shí)，在粗加工階段，要去除頂部孔系的大余量可能會(huì)引起較大的振動(dòng)并產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)，我們將毛坯單邊余量確定在2 mm。裝夾時(shí)，為了提高工件系統(tǒng)剛性，減小振動(dòng)和變形，我們?cè)趦蓚€(gè)叉臂靠近頂部圓孔的后側(cè)各鑄造了一個(gè)工藝凸臺(tái)(圖1中左視圖雙點(diǎn)劃線部分)，工藝凸臺(tái)沿叉臂內(nèi)側(cè)面各加工一個(gè)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(shí)效→半精加工→人工時(shí)效→精加工→去除工藝凸臺(tái)→鉗工打磨并完成其它工作。

粗加工時(shí)，直立狀態(tài)用臥式加工中心銑工藝凸臺(tái)上的壓板槽和側(cè)基準(zhǔn)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(nèi)容和粗加工階段基本相同，先加工側(cè)基準(zhǔn)面和底基準(zhǔn)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(xiàn)的問題

按照上述思路，我們進(jìn)行了該工件的加工工藝試驗(yàn)，在精加工完成后未去掉工藝凸臺(tái)前用三坐標(biāo)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(shí)間后，工件叉臂即呈張開態(tài)勢(shì)變化，同軸度出現(xiàn)超差，去掉工藝凸臺(tái)后，不但叉臂張開變形加劇，還產(chǎn)生了叉臂扭轉(zhuǎn)變形，使得精度進(jìn)一步惡化，根本無法滿足圖紙要求。

4　加工工藝改進(jìn)

經(jīng)分析，變形肯定是由于內(nèi)應(yīng)力釋放造成的，工藝凸臺(tái)體積較大，且集中于一個(gè)地方，去除工藝凸臺(tái)后，由于去除材料引起了新的內(nèi)應(yīng)力，造成了工件內(nèi)應(yīng)力的重新分布，所以又附加產(chǎn)生了叉臂扭轉(zhuǎn)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(nèi)應(yīng)力。

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

經(jīng)過反復(fù)的檢測(cè)和觀察，終于發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力變形的規(guī)律：當(dāng)一個(gè)工件由于內(nèi)應(yīng)力的作用產(chǎn)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(huì)沿著最早發(fā)生的方向繼續(xù)呈衰減式的發(fā)生，直到應(yīng)力消失，工件形狀和尺寸才能達(dá)到穩(wěn)定。

基于這一觀點(diǎn)，經(jīng)過研究認(rèn)為，工件最后的使用狀態(tài)是立式狀態(tài)，精加工也就應(yīng)該在接近最終使用要求的立式狀態(tài)下進(jìn)行，在加工過程中，應(yīng)該減小切削用量，合理使用切削參數(shù)，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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在工件裝夾方面，應(yīng)盡量使工件基準(zhǔn)平整，減小工件裝夾帶來的彈性變形，避免松開工件時(shí)，彈性變形恢復(fù)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(tái)，再通過人工時(shí)效與自然時(shí)效相結(jié)合的方式將精加工分為2～3次進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)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(xùn)，制定了新的工藝流程：鑄造(熱處理)→鉗工劃線→粗加工→人工時(shí)效→半精加工→人工時(shí)效→粗研磨基準(zhǔn)面→初期精加工→自然時(shí)效→精研基準(zhǔn)面→中期精加工→三坐標(biāo)測(cè)量孔系同軸度及各孔坐標(biāo)位置→修正坐標(biāo)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(shí)效、多次精加工的原則，將三坐標(biāo)測(cè)量的離線檢測(cè)精度數(shù)值與機(jī)床加工的在線檢測(cè)數(shù)值作對(duì)比，以三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)值為依據(jù)(因?yàn)樽罱K驗(yàn)收以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)值為準(zhǔn))，結(jié)合在線檢測(cè)數(shù)值修正調(diào)整加工坐標(biāo)，最終保證了零件尺寸精度。

6　加工中的注意事項(xiàng)

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(zhǔn)面和調(diào)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(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)，尤其在精加工時(shí)，應(yīng)盡量減小切削深度和進(jìn)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(yù)防

塑性變形在此類工件加工過程中很少產(chǎn)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(yīng)力變形的控制

人工時(shí)效雖然有著時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但消除應(yīng)力不徹底，對(duì)于精度等級(jí)要求高的工件，微弱的殘余應(yīng)力緩慢釋放仍將引起工件變形。對(duì)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(shí)效的溫度為120 ℃左右，溫度區(qū)間相差較大，所以人工時(shí)效效果幾乎看不出來。但對(duì)冷熱軋制的鋁合金板材(尤其薄板)而言，人工時(shí)效的效果就要明顯得多了。

振動(dòng)時(shí)效可以降低應(yīng)力集中程度，使應(yīng)力分布相對(duì)均勻化，但不能消除應(yīng)力，所以對(duì)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(jīng)過自然時(shí)效來消除內(nèi)應(yīng)力，但由于生產(chǎn)周期等原因，時(shí)間有限，可以采取人工時(shí)效和自然時(shí)效相結(jié)合的方法。在工件的粗、半精加工階段采用人工時(shí)效，在精加工階段，采取自然時(shí)效，讓工件在放松狀態(tài)下，自然時(shí)效2～3天，再進(jìn)行下一步的精加工，充分利用應(yīng)力衰減規(guī)律，就可以有效減少內(nèi)應(yīng)力釋放引起的工件精度超差問題。

6.4孔系同軸度數(shù)值的對(duì)比補(bǔ)償修正

6.4.1對(duì)比補(bǔ)償修正原理

對(duì)比補(bǔ)償修正就是將實(shí)際加工數(shù)值與要達(dá)到的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，將兩者間的誤差通過添加補(bǔ)償?shù)姆绞皆诩庸こ绦蛑杏枰孕拚Ｐ拚臅r(shí)機(jī)，一般都放在精加工前，因?yàn)榇藭r(shí)工件一般特征都已達(dá)到尺寸要求，最后的精加工部位所留余量已經(jīng)很少，殘余應(yīng)力很小而且釋放方式和釋放方向也已經(jīng)固定，此事經(jīng)過補(bǔ)償修正，孔系的同軸度不但能滿足工件的要求，而且不會(huì)再產(chǎn)生大的波動(dòng)。

6.4.2對(duì)比補(bǔ)償修正方法

要實(shí)現(xiàn)對(duì)比補(bǔ)償首先要獲取孔系各孔的空間坐標(biāo)，然后對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)據(jù)分析。在精加工前先利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行離線測(cè)量，測(cè)量孔系同軸度，獲取各孔中心的空間坐標(biāo)，并利用三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)圖紙?zhí)峁┑幕鶞?zhǔn)，建立系列孔的同軸度三維實(shí)體圓柱模型，觀察分析各個(gè)孔中心點(diǎn)在同軸度圓柱模型中的位置，對(duì)超出同軸度圓柱模型的孔中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的孔計(jì)算出偏差修正值，在精加工中以在線測(cè)量的坐標(biāo)為基準(zhǔn)予以補(bǔ)償修正，從而使該孔的同軸度滿足圖紙要求。

6.5基準(zhǔn)研磨(粗研磨和精研磨)

研磨基準(zhǔn)的目的是為了消除加工時(shí)因基準(zhǔn)變形而導(dǎo)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(nèi)應(yīng)力釋放而給基準(zhǔn)面帶來的變形，為最后的精加工做準(zhǔn)備。精研磨是在精加工前對(duì)工件基準(zhǔn)面進(jìn)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(shí)效期間工件因內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形，此時(shí)的研磨量已經(jīng)很小。

6.6設(shè)備選擇

由于該工件的同軸度精度相對(duì)很高，達(dá)到了IT4～5 級(jí)，所以在精加工階段，補(bǔ)償值的累加就對(duì)設(shè)備的定位精度和重復(fù)定位精度提出了很高的要求。要求設(shè)備的運(yùn)動(dòng)能精確地反映出細(xì)微的修正累加值的變化。同時(shí)，最好做到加工設(shè)備的精度等級(jí)比三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備的精度高一個(gè)等級(jí)為好。

筆者單位采用的是世界著名的老牌精密機(jī)床制造商——瑞士DIXI公司設(shè)計(jì)、制造的JIG1200型精密數(shù)控臥式四軸聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)鏜銑床。該設(shè)備主體采用圓球三點(diǎn)支撐，采用中空絲杠油冷技術(shù)，減少了加工中進(jìn)給軸產(chǎn)生熱量引起的進(jìn)給軸線性尺寸變化；同時(shí)該設(shè)備采用主體與輔助部分分離的設(shè)計(jì)模式，將配電柜、刀庫、液壓系統(tǒng)等與機(jī)床主體分離，有效減小了振動(dòng)和熱源影響，保證了機(jī)床設(shè)計(jì)精度。其定位精度達(dá)到2 μm，重復(fù)定位精度達(dá)到1 μm，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度2″，有效保證了工件對(duì)加工設(shè)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(yīng)力釋放，另一方面主要考慮加工效率，因此會(huì)選擇大一些的切削參數(shù)，刀具的選擇也就以耐磨為前提。半精加工和精加工時(shí)，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(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。

6.8鏜刀桿懸伸長(zhǎng)度控制

加工過程中，應(yīng)采用工件移動(dòng)、鏜刀桿懸伸長(zhǎng)度鎖定的方式進(jìn)行加工，以避免鏜刀桿不同懸伸長(zhǎng)度引起的下垂量不同對(duì)加工精度和精確補(bǔ)償措施的實(shí)施帶來影響。

6.9切削參數(shù)的選擇

叉臂形工件屬于弱剛度結(jié)構(gòu)工件，切削參數(shù)選擇不當(dāng)不但容易引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，使得加工質(zhì)量變差；還會(huì)因?yàn)榍邢鬟^程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)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(shí)驗(yàn)和有限元分析的方法對(duì)切削過程中軋制鋼板的殘余應(yīng)力變化及彎曲變形進(jìn)行了研究，指出了殘余應(yīng)力會(huì)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(dá)到最小。也有很多學(xué)者通過對(duì)不同加工條件下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，得出了如下結(jié)論[2]：隨著切削速度的增加，殘余應(yīng)力有向拉應(yīng)力方向增大的趨勢(shì)；當(dāng)切削深度較大時(shí)，隨著切削深度的增加，殘余應(yīng)力有向殘余拉應(yīng)力增大的趨勢(shì)，當(dāng)切削深度較小時(shí)，此趨勢(shì)不明顯；厚度不均勻的弱剛度結(jié)構(gòu)件在切削過程中，將其切削工步變?yōu)榈群穸惹邢骺梢援a(chǎn)生分布較為均勻的殘余應(yīng)力，但對(duì)于殘余應(yīng)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(chǎn)生變形的內(nèi)應(yīng)力(拉應(yīng)力)是完全不可能的，只有通過改變切削參數(shù)的合理搭配，使工件所留的殘余應(yīng)力盡可能小并且使其分布均勻化，才是達(dá)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(biāo)，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(biāo)。因此，在精加工階段，應(yīng)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(shí)現(xiàn)精加工，使其達(dá)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(shí)，精密坐標(biāo)鏜床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)同處一室，故而加工和檢測(cè)的環(huán)境溫度是相同的，有利于正確地獲得零件的實(shí)際加工精度和檢測(cè)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(duì)零件加工精度和檢測(cè)精度的影響。由于兩組孔不在同一實(shí)體部位上，所以這里的補(bǔ)償不能簡(jiǎn)單地按照線性膨脹系數(shù)的概念和公式換算補(bǔ)償值，需要經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得經(jīng)驗(yàn)數(shù)值經(jīng)行補(bǔ)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(shí)孔不圓問題的解決和冷卻液應(yīng)用

鑄件加工中，會(huì)經(jīng)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(xiàn)。由于半精加工和精加工階段，切削時(shí)刀具每次吃刀深度較小，單刃鏜刀剛性也較差，遇到硬點(diǎn)容易產(chǎn)生讓刀；再加上冷卻液的潤(rùn)滑作用，使得讓刀更為明顯，此時(shí)，最好關(guān)掉機(jī)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(jié)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(nèi)應(yīng)力釋放引起的工件變形，是影響同軸度數(shù)值的主要原因；而人工時(shí)效與自然時(shí)效的結(jié)合，誤差對(duì)比補(bǔ)償修正方法的應(yīng)用和機(jī)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(jié)構(gòu)件切削加工殘余應(yīng)力的研究[J].新技術(shù)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(bǔ)償[J].航空制造技術(shù)，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(jí)工程師，主要從事數(shù)控加工工藝及編程工作。

2015-10-20)

160542