高精密泵壳芯体加工工艺

01

序言圆形铝合金结构件常见于阀体类、泵体类和芯体类等零件，应用于军工、航天及高精密模具等领域。圆形铝合金结构件的最显著特点就是精度高且形状复杂，在材料选择上以2A12-T4铝合金居多，是一种常见材料，其机械加工性能良好，由于其最大的特点是易变形[1]，因此其加工难度显而易见。02

泵壳芯体的结构特点及关键技术难点2.1

结构特点图1所示圆形铝合金结构件为动力装置中的泵壳芯体，结构如图2所示。该泵壳芯体为复杂的镂空结构件，且属于薄壁件。从输出精度上看，泵壳芯体是关键精密输出结构件；从装配结构上看，泵壳芯体是整套结构的装配载体。a）正视

b）侧视

c）仰视图1动力装置中的泵壳芯体a）正面结构

b）反面结构

c）侧面结构图2泵壳芯体结构2.2

关键技术难点泵壳芯体关键尺寸精度如图3所示，工件上有多处几何公差要求，且精度在0.02mm。从产品结构上分析，局部实体连接部分壁厚仅为2.5mm，符合薄壁件结构特点；从加工工艺上分析，在保证产品精度的同时，如何控制产品的变形显得尤为重要。图3泵壳芯体关键尺寸精度03

粗加工方案3.1

第一次开粗第一次开粗如图4所示。a）效果图

b）正面视图

c）反面视图图4第一次开粗

实施方案：普通车床加工，自定心卡盘夹持毛坯，对原始圆形毛坯进行大余量开粗，工件单边留量0.5mm，保证整体几何公差精度＜0.1mm。工艺分析如下。1）去除大余量毛坯，使产品做初次应力释放。2）粗车后工件的整体几何公差精度应＜0.1mm（含同轴度、垂直度和平面度），为后序定位加工做准备。3.2

第二次开粗（1）反面第二次粗加工反面第二次粗加工如图５所示。图5反面第二次粗加工实施方案：用三轴加工中心加工，立式自定心卡盘装夹工件底部圆形毛坯。１）对图5所示工件绿色区域进行二次开粗，单边留量0.5mm。２）将图5所示工件红色区域凹槽加工到位（即最终产品此处区域加工到位，不留余量）。３）运用孔与孔之间的基准转换（见图６），将8个ST5（φ

5.2mm）底孔转换为6个M4螺纹孔和2个φ

4mm销孔。图6a中2处粉色孔为销孔，6处深蓝色孔为螺纹孔，尺寸精度转换如图6b、图6c所示。a）转换示意b）图样孔位最终要求为8个ST5c）转换为6个M4螺纹孔和2个φ

4mm销孔图6孔与孔之间的基准转换4）图5中有孔的大平面见光即可，保证与各孔垂直。工艺分析如下。1）根据产品结构、尺寸精度分析得出图5红色区域为减重区域，因此加工到位，同时也满足产品内应力的二次释放。2）在本工序孔与孔之间完成尺寸转换后，与大平面共同形成“一面两销”的经典装夹定位模式，为后序工装设计做准备[2]。（2）正面第二次粗加工正面第二次粗加工如图7所示。a）正视

b）侧视图7正面第二次粗加工实施方案：五轴加工中心加工，专用工装装夹。1）设计一面两销五轴正面铣削专用工装（见图8）。a）工装设计模型

b）工装实物图8五轴正面铣削专用工装2）图7所示工件绿色区域进行二次开粗，单边留量0.5mm。3）图7所示工件红色区域凹槽加工到位（即最终产品此处区域加工到位，不留余量）。工艺分析如下。1）根据产品结构、尺寸精度分析得出图7所示红色区域为减重区域，因此加工到位，同时也满足产品内应力的二次释放。2）工件属于镂空结构的薄壁件，应优先考虑让工件垂直方向受力，而不是径向受力，设计思路为：①定位面设计思路。结合上一工序，在孔与孔之间完成尺寸转换后，遵循一面两销装夹原则，图8a中绿色面为定位面，两处红色销钉限位[3]。②装夹方式设计思路。结合上一工序，在孔与孔之间完成尺寸转换后，设计4颗内六角圆柱头螺钉（图7中深蓝色零部件），反拉工件主体螺纹的装夹方式，考虑到本工序工件铣削余量较多，在工件最上端增加圆形盖板（图7a最上端黄色零部件），很好地起到稳定工件主体的作用。04

时效处理入炉温度：室温；升温速度：127℃/h；保温温度：（185±10）℃；保温时间：4～5h；降温速度：43℃/h；冷却方式：随炉冷却；出炉温度：室温。工艺分析：①消除工件加工过程中的内应力。②稳定工件基体组织。05

关键部位精加工方案5.1

车床工序实施方案：数控车床加工，设计专用工装装夹。1）图9所示为自由状态下基准平面见光。车床镗软爪，轻夹蓝色外圆，端面贴紧，车削红色大面见光。图9自由状态下基准平面见光2）图10所示为精车工件正面。专用工装装夹（与五轴正面铣削工装相同），精车工件所有内孔区域与外圆红色区域。图10精车工件正面3）图11所示为反面车削工装。内孔配合专用心轴装夹（见图11a），打表复查上一工序已加工外圆及轴向圆跳动在0.01mm以内。图12所示为精车工件反面及燕尾槽。按图12装夹方式，精车外圆红色区域及燕尾槽至达到尺寸要求（图12绿色区域是燕尾槽）。a）侧视

b）剖视图11反面车削工装图12精车工件反面及燕尾槽根据燕尾槽尺寸精度要求（见图13），自制燕尾槽粗、精加工车刀（见图14），粗、精车削燕尾槽至达到尺寸要求，保证尺寸精度及表面粗糙度要求。图13燕尾槽尺寸精度要求图14自制燕尾槽粗、精加工车刀工艺分析如下。1）图9所示自由状态下基准平面见光，其实就是在修正热处理后的基准平面，属于本工序的关键点，看似简单的一个动作，实则暗藏玄机，例如，起初的工艺，在精车过程中没有修正基准平面工序，工件加工完成后，尺寸公差、几何公差出现超差现象，但是分析装夹方案却又是合理的，究其原因是忽略了铝合金材料的塑性变形。为了解决这一问题，反复试验后，得出一个结论，即在自由状态下加工基准平面。工件的自由状态，就是有刚性条件支撑下的工件状态，通俗来讲，就是工件当前状态下本体强度好。因此，精度高的结构件，一定要在工件精加工前使工件具有刚性，为精加工前的工件创造刚性条件，在刚性条件支撑下，再来修正基准平面，而且修正量一定要少，基准面见光即可，这就是自由状态下修正基准平面的含义，这一点很重要。如图9所示，工件内孔还没有精车之前，工件是存在一定刚性的，在此基础上加工基准面，这样的面才是平的，所以说这一工序十分关键。2）根据产品结构特征，结合各工序基准统一原则，寻求设计工装的共性特点，最终完成精车工序专用工装的设计。该设计方案与五轴正面铣削工装设计方案完全相同，既简化了各工序工装繁多的现象，又能使工装之间存在可替代性。3）根据产品燕尾槽结构，自制燕尾槽车刀，既保证了产品精度，也节省了刀具成本。4）车削工件反面的专用心轴工装（见图11）的设计思路为：①遵循孔与轴的基准转换原理，心轴与工件内孔属于精密间隙配合方式。②在工装上增加一处长圆柱销，在起到防转作用的同时，更有利于工件与工装之间作用力的传输。5.2

铣床工序实施方案：五轴加工中心加工，专用工装装夹。1）产品正面精加工如图15所示。专用工装装夹，精加工工件正面上标有红色标记的各圆孔、螺纹孔及内腔4处键槽至尺寸要求。图15产品正面精加工2）设计五轴反面铣削专用工装（见图16），精加工工件反面（见图17）。

a）反面工装设计模型

b）工装实物图16五轴反面铣削专用工装

a）精加工螺纹底孔及挂钩

b）精加工挂钩内壁

c）精加工产品端面图17产品反面精加工3）工件反面加工顺序：按图17a方式装夹工件，加工图17a、图17b中红色标记的8处螺纹孔、挂钩区域及挂钩内壁，期间程序暂停，按图17c所示卸下圆形压板，再加工工件端面红色区域至尺寸要求。工艺分析如下。1）反面铣削专用工装（见图16）装夹设计思路：①定位面设计思路。依然遵循一面两销装夹原则，图16a中两处绿色面为定位面，底部两处红色销钉限位。②装夹方式设计思路。根据工件螺钉位置，设计圆形花形压板（见图17a蓝色零部件），为防止精铣侧面挂钩振刀，增加中心圆形压板（见图17a上端黄色零部件）。2）工件反面精加工分两工步进行，主要原因在于工件反面挂钩悬伸过长，在没有圆形压板的情况下，挂钩区域发生振刀现象，表面粗糙度不达标。3）最后一个工序铣床工序关键部位精加工，加工内容较少，不会对整体精度产生影