01

前言

圆形铝合金结构件常用于阀体、泵体、芯体等零件，用于军工、航空航天、高精密模具等领域。圆形铝合金结构件最显著的特点是精度高，形状复杂。在选材方面，2A12-T4铝合金是常用材料，加工性能较好。由于其最大的特点是易变形，所以其加工难度显而易见。

02

泵芯的结构特点及关键技术难点

2.1结构特征

圆形铝合金结构是电厂泵壳的核心。泵壳芯是一种复杂的空心结构件，属于薄壁件。从输出精度来看，泵壳芯是关键的精密输出结构；从装配结构来看，泵壳芯是整个结构的装配载体。

2.2关键技术难点

泵芯关键尺寸精确，工件上有多项形位公差要求，精度为0.02mm，从产品结构分析，局部实体连接部分壁厚仅为2.5mm，符合薄壁零件的结构特点。从加工工艺分析，在保证产品精度的同时，控制产品的变形尤为重要。

03

粗加工方案

3.1第一次粗加工

实施方案:普通车床加工，自定心卡盘夹紧毛坯，原圆形毛坯大余量粗加工，工件单边余量0.5毫米，保证整体形位公差精度< < 0.1毫米..

流程分析如下。

1)去除大余量的毛坯，使产品释放初始应力。

2)工件粗车后的整体形位公差精度应< < 0.1mm(包括同轴度、垂直度和平整度)，为后续定位加工做准备。

3.2第二次粗加工

(1)对侧第二次粗加工，对侧第二次粗加工

方案:用三轴加工中心加工，立式自定心卡盘夹紧工件底部的圆形毛坯。

1)工件的绿色区域应进行两次粗加工，单边余量为0.5毫米..

2)工件红色区域的凹槽加工到位(即最终产品的区域加工到位，不留余量)。

3)利用孔间基准换算，将8个ST5(φ 5.2mm)底孔换算成6个M4螺纹孔和2个4mm销孔。图6a中，2个粉色孔为销孔，6个深蓝色孔为螺纹孔，尺寸精度换算。

流程分析如下。

1)根据产品结构和尺寸精度分析，得出红色区域为减重区域，因此加工到位，也满足了产品内应力的二次释放。

2)本工序完成孔对孔尺寸转换后，与大平面一起形成“一边两销”的经典夹紧定位方式，为后续工装设计做准备[2]。

(2)正面第二次粗加工，正面第二次粗加工。

实施方案:五轴加工中心加工，专用工装夹紧。

1)设计一面两销五轴前铣专用工装。

2)工件的绿色区域应粗加工两次，单边余量为0.5毫米

3)工件红色区域的凹槽加工到位(即最终产品的区域加工到位，不留余量)。

流程分析如下。

1)根据产品结构和尺寸精度分析，得出图7中红色区域为减重区域，因此加工到位，也满足了产品内应力的二次释放。

2)工件是中空结构的薄壁零件，应优先考虑工件的垂直力，而不是径向力。设计思路如下:①定位面的设计思路。结合前面的程序，孔与孔之间的尺寸换算后，遵循一边两销夹紧的原则，绿色一边为定位面，两个红色销为限位[3]。②夹紧方式的设计思想。结合前面的工艺，经过孔与孔之间的尺寸换算，设计了四个内六角螺钉，工件主螺纹的装夹方式为反拉。考虑到此过程中工件铣削余量较大，在工件顶部加了一个圆形盖板，对工件起到了很好的稳定作用。

04

时效处理

入炉温度:室温；升温速率:127℃/h；保持温度:(185±10)℃;保温时间:4-5小时；冷却速度:43℃/小时；冷却方式:随炉冷却；排出温度:室温。

工艺分析:①消除工件加工过程中的内应力。②稳定工件的基底结构。

05

关键零件的精加工方案

5.1车床加工

实施方案:数控车床加工，设计专用工装夹具。

1)基准面看到自由状态的光。在车床上镗软爪，轻夹蓝色外圆，贴紧端面，翻红大面见光。

2)精车工件正面。专用夹具夹紧(同五轴前铣夹具)，精车工件所有内孔区域和外圆红色区域。

3)反向车削工装。用专用芯轴夹紧内孔，用百分表检查最后一道工序加工的外圆和轴圆的跳动在0.01毫米以内。车削工件反面和燕尾槽。装夹方法:精车外圆红色区域和燕尾槽，达到尺寸要求。

流程分析如下。

1)基准面在自由状态下曝光，实际上就是热处理后的基准面，属于这个工艺的关键点。一个看似简单的动作，其实是个谜。比如在初始工序中，精加工过程中没有校正基准面，工件加工后尺寸公差和形位公差超差。然而，对夹紧方案的分析是合理的，其原因是忽略了铝合金的塑性变形。为了解决这一问题，经过反复试验，得出了基准面应在自由状态下加工的结论。

工件的自由状态是由刚性条件支撑的工件的状态。一般来说，意味着工件的当前状态具有良好的强度。因此，对于精度较高的结构件，需要在精加工前使工件具有刚性，从而为工件在精加工前创造刚性条件。在刚性条件的支撑下，可以再次修正基准面，而且修正量必须小，基准面才能见光。这就是在自由状态下修正基准面的意义，非常重要。

在工件内孔加工完成之前，工件是刚性的。在此基础上加工基准面，所以平面是平的，所以这个工序很关键。

2)根据产品结构特点，结合各工序基准统一的原则，寻求设计工装的共性，最终完成精加工工序专用工装的设计。这种设计方案与五轴前铣工装的设计方案一模一样，不仅简化了每道工序各种工装的现象，而且工装可更换。

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，又节约了刀具成本。

4)车削工件反面专用芯轴工具的设计思路:①芯轴与工件内孔属于精密间隙配合方式，遵循孔与轴的基准换算原理。②工装上增加了一个长圆柱销，既起到防转的作用，又便于工件与工装之间作用力的传递。

5.2铣床工艺

实施方案:五轴加工中心加工，专用工装夹紧。

流程分析如下。

1)反铣专用工装的夹紧设计思路: ①定位面的设计思路。仍然遵循一面两销的夹紧原理。两个绿色表面是定位表面，底部的两个红色引脚是受限的。②夹紧方式的设计思想。根据工件的螺纹位置，设计了圆形花形压板，并增加了中心圆形压板，防止侧钩铣削振动。

2)工件反面的精加工分两步进行。主要原因是工件反面的挂钩伸出太长。在没有圆形压板的情况下，钩区出现振刀现象，表面粗糙度不达标。

3)在最后一道工序中，铣床会对该工序的关键部位进行精加工，加工内容较少，不会影响整体精度，也不会产生内应力。工件加工后，经检验符合图纸要求。

06

结束语

圆形铝合金结构泵壳芯全过程开发的技术要点主要体现在以下三个方面:①从圆形铝合金结构的结构特点出发，着重考虑产品在装夹过程中的受力方向。②工件在自然状态下夹紧，以消除工件基准面的变形。③产品加工过程中多次释放内应力。以上三个方面相辅相成，才能完成高精度的产品。