高同轴度双叉臂铝铸件孔系加工工艺技术探索

刘建养　边培莹　侯卫权

(①西安导航技术研究所，陕西 西安710068；②西安文理学院，陕西 西安 710065)



高同轴度双叉臂铝铸件孔系加工工艺技术探索

刘建养①边培莹②侯卫权①

(①西安导航技术研究所，陕西 西安710068；②西安文理学院，陕西 西安 710065)

介绍了具有高同轴度孔系要求的双叉臂结构铝铸件的结构特点和加工技术。详细阐述了该类工件加工过程中的注意事项，总结出了精度误差对比补偿修正方法，对从事高精度零部件加工工艺技术和操作人员具有一定的参考作用。

高同轴度；叉臂铸件；变形；加工

1　叉臂类零件的用途和加工特点

叉臂类零件在工业产品结构设计中应用很广泛，主要分为用于一般执行末端功能的叉臂类零件和用于传动功能的叉臂类零件两种。前者如拨叉、叉子等，精度要求低，尺寸相对也较小；后者是轴系支承设计中的一个分支，小到如作为轴系万向传动中的零部件、叉车、吊车中以及变速箱等的零部件，大到如作为随动跟踪型卫星地面天线、火炮及各种载体上通信和雷达产品传动天线底座等。

从加工角度上来讲，大尺寸的叉臂类零件加工难度远远要比小尺寸叉臂类零件难得多。本文就以作为某通信产品天线支撑底座为功能用途的大尺寸、弱刚性双叉臂铝铸件作为加工对象，展开加工工艺探索研究。

2　某产品天线座的结构特点

作为天线底座支撑和传动的叉臂形零件，又分为悬伸直叉臂形结构和悬伸斜叉臂形结构两种。悬伸直叉臂形结构一般可以满足较大形天线对水平面以上空间的探索；悬伸斜叉臂形结构是为了满足天线搜索水平面以下负角度目标和水平面以上目标而改进设计的。他们的共同特点是叉臂上的孔系同轴度要求高，孔系公共轴线对安装底面平行度要求高。

从具体结构上来看，大尺寸天线座一般采用将两叉臂和底座分开制作，最后再组装到一起，进行精加工或者精密修配来达到结构精度要求。中小尺寸的天线座或具有特殊要求的天线座，一般采用整体铸造结构或板材拼装焊接形成整体结构。

如图1所示，就是某产品天线座结构示意图，宽×高尺寸约1 100 mm×1 000 mm。要求重量轻、结构强度高、抗冲击能力强。其结构采用ZL101A材料整体铸造而成，热处理状态T4，顶部左右支臂上的6处孔系(孔直径均在φ200H7 mm以上)同轴度要求达到0.02 mm。顶部孔系公共轴线对底部圆盘底面平行度要求小于0.04 mm。对工艺人员和加工人员而言，是一款典型的结构整体刚性低、加工过程中易产生振动、变形的工件，精度要求近乎苛刻。

3　加工工艺方案制定

3.1加工中相关问题和工艺路线的考虑

对于这类叉臂形工件，如何防止加工过程中的变形和振动是最主要的问题。

由于叉臂顶部孔系和底部圆盘底面及侧面型腔等均需要加工，所以必须将底部圆盘底面加工放在前头。同时，在粗加工阶段，要去除顶部孔系的大余量可能会引起较大的振动并产生一定的塑性变形和弹性变形。所以要留足够的余量。按照经验，我们将毛坯单边余量确定在2 mm。装夹时，为了提高工件系统刚性，减小振动和变形，我们在两个叉臂靠近顶部圆孔的后侧各铸造了一个工艺凸台(图1中左视图双点划线部分)，工艺凸台沿叉臂内侧面各加工一个槽子，用于安装压板。这样就形成了最初的工艺方案：

铸造(热处理)→钳工划线→粗加工→人工时效→半精加工→人工时效→精加工→去除工艺凸台→钳工打磨并完成其它工作。

粗加工时，直立状态用卧式加工中心铣工艺凸台上的压板槽和侧基准面；卧式状态用面铣刀粗加工底部圆盘端面和用三面刃铣刀去除两叉臂顶部孔系大余量，留余量单边2 mm。

半精加工内容和粗加工阶段基本相同，先加工侧基准面和底基准面以及顶部孔系，除底部圆盘端面和顶部孔系单边留余量0.5 mm以外，其余特征全部加工到尺寸要求。

精加工为降低重心，选择在卧式状态精加工底部圆盘端面，然后精镗顶部孔系至要求。

3.2双叉臂铝铸件加工过程和其中出现的问题

按照上述思路，我们进行了该工件的加工工艺试验，在精加工完成后未去掉工艺凸台前用三坐标检测，发现顶部孔系的同轴度和与底面平行度尚能满足图纸要求，但放置一段时间后，工件叉臂即呈张开态势变化，同轴度出现超差，去掉工艺凸台后，不但叉臂张开变形加剧，还产生了叉臂扭转变形，使得精度进一步恶化，根本无法满足图纸要求。

4　加工工艺改进

经分析，变形肯定是由于内应力释放造成的，工艺凸台体积较大，且集中于一个地方，去除工艺凸台后，由于去除材料引起了新的内应力，造成了工件内应力的重新分布，所以又附加产生了叉臂扭转变形。要消除这些变形，最主要的还是要尽可能消除或者减小工件内应力。

在后续的试验过程中，还考虑了增加人工时效和振动时效的方法，但最终发现，经过热处理的铸件，想在短时间内通过人工时效的方法减小和消除内应力是不可能的。振动时效虽然通过频率共振的方法，降低了应力峰值、分散了应力的集中分布区域，但并不能消除内应力，故对加工后减小铸件变形或者在振动时效的同时附加矫正措施消除已经产生的变形，其作用几乎看不出来。

经过反复的检测和观察，终于发现了应力变形的规律：当一个工件由于内应力的作用产生某一变形后，它的变形方向就被固定了下来。也就是说，变形只会沿着最早发生的方向继续呈衰减式的发生，直到应力消失，工件形状和尺寸才能达到稳定。

基于这一观点，经过研究认为，工件最后的使用状态是立式状态，精加工也就应该在接近最终使用要求的立式状态下进行，在加工过程中，应该减小切削用量，合理使用切削参数，避免大切削用量给工件带来的塑性变形、弹性变形和由此引发的切削区产生内应力。在工件装夹方面，应尽量使工件基准平整，减小工件装夹带来的弹性变形，避免松开工件时，弹性变形恢复引起的工件精度超差。

半精加工阶段要完成所有一般特征的加工，并去掉工艺凸台，再通过人工时效与自然时效相结合的方式将精加工分为2～3次进行，以实现最高的孔系同轴度精加工要求。

5　新的工艺流程

汲取以前的教训，制定了新的工艺流程：铸造(热处理)→钳工划线→粗加工→人工时效→半精加工→人工时效→粗研磨基准面→初期精加工→自然时效→精研基准面→中期精加工→三坐标测量孔系同轴度及各孔坐标位置→修正坐标并最终精加工。

可以看出，在该工艺中，采取了多次研磨、多次时效、多次精加工的原则，将三坐标测量的离线检测精度数值与机床加工的在线检测数值作对比，以三坐标检测数值为依据(因为最终验收以三坐标测量机检测数值为准)，结合在线检测数值修正调整加工坐标，最终保证了零件尺寸精度。

6　加工中的注意事项

6.1弹性变形的控制

在此类工件的加工过程中，弹性变形的来源主要分为装夹引起的弹性变形和切削过程中切削引起的弹性变形。前者主要通过精整基准面和调整装夹位置来解决，装夹过程中可以借助百分表观察和控制弹性变形的量值。后者，则需要通过控制切削参数的方式来实现，尤其在精加工时，应尽量减小切削深度和进给速度，使切削力有效减小，避免引起弹性变形。

6.2塑性变形的预防

塑性变形在此类工件加工过程中很少产生，主要由于野蛮装夹或者撞击等原因造成，一般可以不必过多考虑。

6.3应力变形的控制

人工时效虽然有着时间短的优点，但消除应力不彻底，对于精度等级要求高的工件，微弱的残余应力缓慢释放仍将引起工件变形。对于T4状态铝合金铸件而言，浇铸温度680～740 ℃，淬火后回火温度为535±5 ℃；而人工时效的温度为120 ℃左右，温度区间相差较大，所以人工时效效果几乎看不出来。但对冷热轧制的铝合金板材(尤其薄板)而言，人工时效的效果就要明显得多了。

振动时效可以降低应力集中程度，使应力分布相对均匀化，但不能消除应力，所以对铝合金铸造叉臂形工件而言，也没有什么效果。

最好的方法还是要经过自然时效来消除内应力，但由于生产周期等原因，时间有限，可以采取人工时效和自然时效相结合的方法。在工件的粗、半精加工阶段采用人工时效，在精加工阶段，采取自然时效，让工件在放松状态下，自然时效2～3天，再进行下一步的精加工，充分利用应力衰减规律，就可以有效减少内应力释放引起的工件精度超差问题。

6.4孔系同轴度数值的对比补偿修正

6.4.1对比补偿修正原理

对比补偿修正就是将实际加工数值与要达到的数值进行比对，将两者间的误差通过添加补偿的方式在加工程序中予以修正。修正的时机，一般都放在精加工前，因为此时工件一般特征都已达到尺寸要求，最后的精加工部位所留余量已经很少，残余应力很小而且释放方式和释放方向也已经固定，此事经过补偿修正，孔系的同轴度不但能满足工件的要求，而且不会再产生大的波动。

6.4.2对比补偿修正方法

要实现对比补偿首先要获取孔系各孔的空间坐标，然后对其进行三维数据分析。在精加工前先利用三坐标测量机进行离线测量，测量孔系同轴度，获取各孔中心的空间坐标，并利用三维设计软件，根据图纸提供的基准，建立系列孔的同轴度三维实体圆柱模型，观察分析各个孔中心点在同轴度圆柱模型中的位置，对超出同轴度圆柱模型的孔中心点所对应的孔计算出偏差修正值，在精加工中以在线测量的坐标为基准予以补偿修正，从而使该孔的同轴度满足图纸要求。

6.5基准研磨(粗研磨和精研磨)

研磨基准的目的是为了消除加工时因基准变形而导致的工件装夹弹性变形。

粗研磨的目的是为了消除工件在半精加工期间，铸件因残余内应力释放而给基准面带来的变形，为最后的精加工做准备。精研磨是在精加工前对工件基准面进行的最后一次研磨，目的是为了消除半精加工过程和半精加工后自然时效期间工件因内应力释放产生的变形，此时的研磨量已经很小。

6.6设备选择

由于该工件的同轴度精度相对很高，达到了IT4～5 级，所以在精加工阶段，补偿值的累加就对设备的定位精度和重复定位精度提出了很高的要求。要求设备的运动能精确地反映出细微的修正累加值的变化。同时，最好做到加工设备的精度等级比三坐标测量设备的精度高一个等级为好。

笔者单位采用的是世界著名的老牌精密机床制造商——瑞士DIXI公司设计、制造的JIG1200型精密数控卧式四轴联动坐标镗铣床。该设备主体采用圆球三点支撑，采用中空丝杠油冷技术，减少了加工中进给轴产生热量引起的进给轴线性尺寸变化；同时该设备采用主体与辅助部分分离的设计模式，将配电柜、刀库、液压系统等与机床主体分离，有效减小了振动和热源影响，保证了机床设计精度。其定位精度达到2 μm，重复定位精度达到1 μm，工作台回转精度2″，有效保证了工件对加工设备的要求。

6.7刀具选择

工件在粗加工过程中，一方面要考虑应力释放，另一方面主要考虑加工效率，因此会选择大一些的切削参数，刀具的选择也就以耐磨为前提。半精加工和精加工时，由于一部分特征要成型，所以刀具的选择就要以锋利为主，一方面要保证被加工特征的尺寸精度，另一方面要尽可能减少切削力带来的工件弹性变形和内应力产生。

6.8镗刀杆悬伸长度控制

加工过程中，应采用工件移动、镗刀杆悬伸长度锁定的方式进行加工，以避免镗刀杆不同悬伸长度引起的下垂量不同对加工精度和精确补偿措施的实施带来影响。

6.9切削参数的选择

叉臂形工件属于弱刚度结构工件，切削参数选择不当不但容易引起工艺系统振动，使得加工质量变差；还会因为切削过程产生的残余应力对工件的抗腐蚀性、疲劳寿命和尺寸的稳定性等有重要影响。H.S.Shang[1]利用实验和有限元分析的方法对切削过程中轧制钢板的残余应力变化及弯曲变形进行了研究，指出了残余应力会引起加工变形，并且存在最佳的材料去除率使钢板的弯曲变形量达到最小。也有很多学者通过对不同加工条件下产生的残余应力分布规律进行分析，得出了如下结论[2]：随着切削速度的增加，残余应力有向拉应力方向增大的趋势；当切削深度较大时，随着切削深度的增加，残余应力有向残余拉应力增大的趋势，当切削深度较小时，此趋势不明显；厚度不均匀的弱刚度结构件在切削过程中，将其切削工步变为等厚度切削可以产生分布较为均匀的残余应力，但对于残余应力的大小影响并不明显。

因此，要完全消除加工过程中使零件产生变形的内应力(拉应力)是完全不可能的，只有通过改变切削参数的合理搭配，使工件所留的残余应力尽可能小并且使其分布均匀化，才是达到保持零件尺寸精度稳定性的有效手段。

在铸铝合金叉臂形零部件加工过程中，粗加工阶段可以考虑以去除材料的效率为目标，但在精加工阶段就要考虑以保证零件的最后精度和尺寸稳定性为目标。因此，在精加工阶段，应尽可能考虑降低切削速度，减少并且使用等切削深度、等切削速度的方法来分步实现精加工，使其达到最后要求的尺寸。我们建议Vc≤15 m/min，Ap≤0.1 mm。

6.10环境温度的控制

笔者单位加工该叉形零件时，精密坐标镗床和三坐标测量机同处一室，故而加工和检测的环境温度是相同的，有利于正确地获得零件的实际加工精度和检测精度。如果两者不在一室，则需要考虑环境温度变化引起的热胀冷缩对零件加工精度和检测精度的影响。由于两组孔不在同一实体部位上，所以这里的补偿不能简单地按照线性膨胀系数的概念和公式换算补偿值，需要经过大量试验获得经验数值经行补偿修正。这是叉形零件高精度叉臂形零件同轴孔系加工与其他零件同轴孔系加工最不相同的地方。

6.11半精镗孔时孔不圆问题的解决和冷却液应用

铸件加工中，会经常碰到孔镗不圆的问题，除了零件刚性不足自然变形的原因外，主要是由于铸件材料成分不均和热处理后硬度不均匀引起的。这种情况在半精加工和精加工阶段容易出现。由于半精加工和精加工阶段，切削时刀具每次吃刀深度较小，单刃镗刀刚性也较差，遇到硬点容易产生让刀；再加上冷却液的润滑作用，使得让刀更为明显，此时，最好关掉机床冷却液，甚至不要用脏手去摸被镗孔壁，以避免任何让刀因素。

7　结语

综上所述，弹性变形和塑性变形是叉臂形铝铸件加工过程中可以尽力控制和避免的因素；环境温度控制、切削用量控制和人的因素是保障加工精度必不可少的环节；内应力释放引起的工件变形，是影响同轴度数值的主要原因；而人工时效与自然时效的结合，误差对比补偿修正方法的应用和机床精度的保障是加工此类高精度零件的核心。

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

[2]张纯喜.弱刚度结构件切削加工残余应力的研究[J].新技术新工艺,2015(2)：96-99.

[3]刘红霞.L型精密托架零件两端孔距加工误差的控制与补偿[J].航空制造技术，2015(1)：126-127.

(编辑李静)

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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

刘建养，男，1967年生，高级工程师，主要从事数控加工工艺及编程工作。

2015-10-20)

160542