CN115647732A - 一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，属于精密机械制造技术领域，主要工艺流程包括：1)毛坯备料；2)粗车成筒状，外圆、内孔及端面均留量；3)固溶处理；4)半精车成型；5)数铣加工，铣外型及内腔处各特征达图纸要求；6)高低温尺寸稳定化处理；7)精加工轴承配合面和粗糙度Ra0.8的各内孔、端面；8)超声波清洗，去除多余物；9)检验。本发明解决了高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件精密加工工艺问题，运用硬质合金刀具进行粗加工，PCD刀具进行半精加工和精加工，有效的降低了加工成本；精加工过程中设计专用工装，有效减小零件加工过程中变形，提高加工精度，保证了零件的合格率。

Description

一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法

技术领域

本发明属于精密机械制造技术领域，具体地说涉及一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法。

背景技术

铝基碳化硅材料是近年发展较快的新型复合材料，其具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐磨损、高热导率等优点，在航空航天、国防、仪表、电子、汽车、体育等各领域得到广泛的应用；但一系列优异性能的获得，是以牺牲材料的塑性、韧性和切削加工性为代价的；尤其SiC颗粒体积分数达到40％以上中体积分数的碳化硅铝，材料表现出一定的脆性，切削加工过程中刀具交替切削材质较软的塑性铝基体和高硬度的脆性SiC颗粒，对刀具的冲击较大，并且SiC颗粒对刀具产生很严重的研磨刻划作用，因此，该材料的机械切削性能很差，常规刀具加工磨损严重，加工精度和表面质量均难以保证。PCD刀具是加工碳化硅铝材料的理想选择，刀具寿命长，加工质量高，但刀具成本高。

通常认为，当零件壁厚与内径曲率半径(或轮廓尺寸)之比小于1：20时，称作薄壁零件。薄壁壳体零件以其重量轻、结构紧凑、整体性能优越、节约材料等优良特性，广泛的应用于国防、航空、航天、机械等行业。但随着零件壁厚的减薄，使得零件刚性差，在切削力作用下薄壁件的加工***容易出现振动现象、局部弹性变形以及残余应力不均匀分布引起的整体加工变形，将直接影响零件的加工精度，进而影响零件的使用效果。

铝基碳化硅材料的薄壁壳体零件由于材料的特殊性，塑性和韧性较差，在加工过程中出现震颤不仅影响加工精度，还会导致刀具切削刃崩裂，严重时甚至导致材料出现裂纹，造成零件报废。

基于以上技术难点，如何解决高精度铝基碳化硅材料薄壁壳体零件的加工工艺方案，保证零件加工精度，降低零件加工成本，成为工艺技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，用于实现零件尺寸精度和形位精度要求，降低生产成本，提高零件合格率。

为解决以上技术问题，本发明通过以下方案来实现：

一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，所述零件材料为铝基碳化硅复合材料，所述零件设有多个内孔，所述多个内孔依次为轴承安装孔、轴承隔圈安装孔、过渡孔以及连接轴安装孔，所述零件具有以下重要的尺寸精度及形位精度：轴承安装孔尺寸及圆柱度，轴承安装孔分别与轴承隔圈安装孔、连接轴安装孔轴线的同轴度，零件总长两端面、轴承安装孔右端面、轴承隔圈安装孔右端面、连接轴安装孔左端面分别与基准轴线A的垂直度；其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：备料；

步骤2)：粗车零件，采用硬质合金刀具，车零件成筒状：最大外圆车至零件最大外圆直径ΦD+2mm，内孔按过渡孔直径Φd3-2mm留量，长度车至零件两端面之间距离L+2mm；

步骤3)：固溶时效处理；

步骤4)：半精车零件，采用PCD刀具，半精车零件所有内孔、外圆特征及端面，其中轴承安装孔直径Φd*，零件外圆直径ΦD，轴承隔圈安装孔直径Φd1、连接轴安装孔直径Φd2及零件两端面、轴承安装孔右端面、轴承隔圈安装孔右端面、连接轴安装孔左端面留有加工余量，余量范围控制在半径和端面距离尺寸均在0.2～0.5mm之间，其余加工特征按图纸要求完成；

步骤5)：数铣零件外形及内腔各处，铣零件外形轮廓特征及内腔处特征，加工达图纸要求；

步骤6)：高低温尺寸稳定化处理；

步骤7)：精车零件外圆及零件两端面，设计加工工装并用辅助工装支撑，提高零件刚度；采用PCD车刀，精车零件轴承安装孔、轴承隔圈安装内孔、连接轴安装孔以及轴承安装内孔右端面、轴承隔圈安装内孔右端面、连接轴安装孔左端面，保证图纸尺寸精度和形位精度要求；

步骤8)：超声波清洗零件，去除多余物；

步骤9)：三坐标检测零件各内孔、端面尺寸以及形位精度。

进一步的，所述薄壁壳体类零件的壁厚≤1.5mm，所述尺寸精度≤0.01mm，所述形位精度均≤0.02mm。

进一步的，所述步骤2)中所使用的硬质合金刀具为刃磨后的刀具，刀具后角α0磨成7°～9°，此角度范围便于加工铝基碳化硅材料，可承受较大切削力，同时有利于减小摩擦。

进一步的，所述步骤7)中，所述加工工装包括第一工装和第二工装，采取基准先行的原则，首先精加工零件外圆，然后通过第一工装和第二工装定位，采用基准统一，即加工两端内孔使用基准统一的原则，精加工轴承安装内孔、轴承隔圈安装内孔以及连接轴安装孔，轴承安装内孔右端面、轴承隔圈安装内孔右端面以及连接轴安装孔左端面。

进一步的，所述第一工装为工装筒，所述第二工装为工装盖板，两者之间为连接关系。

进一步的，所述步骤7)中，所述辅助工装为软性吸振材料，所述软性吸振材料填充在所述工装筒和所述零件之间，以减小加工振动、提高零件刚度。

所述精度指标包括尺寸精度和形位精度，尺寸精度指轴承安装孔Φd*内孔尺寸(基准孔A)，公差带≤0.01mm，形位精度包括轴承安装孔的圆柱度，轴承隔圈安装孔与轴承安装内孔的同轴度，连接轴安装孔与轴承安装内孔的同轴度，轴承安装内孔端面与A的垂直度，轴承隔圈安装孔端面与A的垂直度，连接轴安装内孔与A的垂直度，重要安装面分别与A的垂直度，形位精度均≤0.02mm。

本发明与现有的铝基碳化硅薄壁壳体类零件加工方法相比的优点在于：

第一、粗加工阶段采用刃磨后的硬质合金刀具，有效降低了加工成本；

第二、通过设计专用工装，在加工两端内孔时，使用同一件工装进行定位，加工基准一致，减少了装卡找正误差；

第三、在零件与第一工装之间填充软性吸振材料，减小加工过程中零件变形、提高零件刚度。

附图说明

图1是本发明所针对的零件类型简图及包含特征；

图2是本发明具体实施案例中试验件的三维结构示意图；

图3是本发明具体实施案例中试验件的剖视图；

图4是本发明具体实施案例中试验件工装支撑图。

图中各标号表示：

1-工装筒，2-软性吸振材料，3-工装盖板，4-零件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明做进一步阐述。

具体实施案例如下：

如附图1-3所示的薄壁壳体类零件，材料为45％体积分数的铝基碳化硅复合材料，其精密加工包括以下步骤：

步骤1)：备料。

步骤2)：粗车零件，采用刃磨后角为7°的硬质合金刀具，转速210r/min，进给量0.3mm/r；车零件成筒状：零件最大外圆车至Φ100mm，内孔车至Φ55mm，长度车至79.5mm；

步骤3)：固溶处理，目的是消除基体和增强体界面间应力，提高材料强度；

步骤4)：半精车零件，采用PCD刀具，转速400r/min，进给量0.03mm/r；半精车零件所有内孔、外圆特征及端面，其中轴承安装孔

外圆Φ98、过渡孔Φ70±0.05，轴承隔圈安装孔Φ74±0.05及轴承安装孔右端面距离零件左端尺寸L130±0.01、轴承隔圈安装孔右端面距离零件左端尺寸L234±0.05、连接轴安装孔左端面距离零件右端尺寸L345±0.01、零件总长两端面之间距离尺寸L 77.5±0.05留加工余量，半径和端面单边留量0.2～0.5mm，其余加工特征按图纸要求完成；

步骤5)：数铣零件外形及内腔各处，采用PCD铣刀，转速1000r/min，进给量80mm/min，铣零件外形轮廓特征及内腔处特征，加工达图纸要求；

步骤6)：高低温尺寸稳定化处理；目的消除加工中产生的残余应力；

步骤7)：

工序1、精车零件外圆Φ98至尺寸Φ98±0.01，车77.5±0.05两端面，保证两端面平行度小于0.01；

工序2、研磨77.5±0.05两端面，保证端面平面度小于0.003，平行度小于0.004；

工序3、精车工装筒1内孔至Φ98.015；

工序4、将零件装入工装筒1内，并用工装盖板3压住，螺纹拧紧；

工序5、在工装筒1和零件4之间，填充发泡剂作为软性吸振材料2，参见附图4；

工序6、采用PCD车刀，转速500r/min，进给量0.01mm/r，精车零件轴承安装内孔

Φ74±0.05及30±0.01右端面、34±0.05右端面达要求；

工序7、将工装盖板3拧开，取出发泡剂和零件，并清洗干净零件及工装筒1和工装盖板3；

工序8、将零件调头装入工装筒内，重复工序4和工序5；精车内孔Φ70±0.05，45±0.01左端面达要求。

步骤8)：超声波清洗零件，去除多余物；

步骤9)：检查。

其中，附图中的d*和L1分别为轴承安装孔直径及端面到轴承安装面距离尺寸，Φd1和L2分别为轴承隔圈安装孔直径及端面到轴承隔圈安装面距离尺寸，Φd2和L3分别为连接轴安装孔直径和端面到连接轴安装面距离尺寸，Φd3为过渡孔直径，ΦD为零件最大外圆直径，L为零件两端面之间距离尺寸，且为重要安装面，所述薄壁壳体的壁厚≤1.5mm。

经过上述加工步骤，成功保证了零件加工尺寸精度和形位精度。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述零件材料为铝基碳化硅复合材料，所述零件设有多个内孔，所述多个内孔依次为轴承安装孔、轴承隔圈安装孔、过渡孔以及连接轴安装孔，所述零件具有以下重要的尺寸精度及形位精度：轴承安装孔尺寸及圆柱度，轴承安装孔分别与轴承隔圈安装孔、连接轴安装孔轴线的同轴度，零件总长两端面、轴承安装孔右端面、轴承隔圈安装孔右端面、连接轴安装孔左端面分别与基准轴线A的垂直度；其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：备料；

步骤2)：粗车零件，采用硬质合金刀具，车零件成筒状：最大外圆车至零件最大外圆直径ΦD+2mm，内孔按过渡孔直径Φd3-2mm留量，长度车至零件两端面之间距离L+2mm；

步骤3)：固溶时效处理；

步骤4)：半精车零件，采用PCD刀具，半精车零件所有内孔、外圆特征及端面，其中轴承安装孔直径Φd*、零件外圆直径ΦD、轴承隔圈安装孔直径Φd1、连接轴安装孔直径Φd2及零件两端面、轴承安装孔右端面、轴承隔圈安装孔右端面、连接轴安装孔左端面留有加工余量，余量范围控制在半径和端面距离尺寸均在0.2～0.5mm之间，其余加工特征按图纸要求完成；

步骤5)：数铣零件外形及内腔各处，铣零件外形轮廓特征及内腔处特征，加工达图纸要求；

步骤6)：高低温尺寸稳定化处理；

步骤7)：精车零件外圆及零件两端面，设计加工工装并用辅助工装支撑，提高零件刚度；采用PCD车刀，精车零件轴承安装孔、轴承隔圈安装内孔、连接轴安装孔以及轴承安装内孔右端面、轴承隔圈安装内孔右端面、连接轴安装孔左端面端面，保证图纸尺寸精度和形位精度要求；

步骤8)：超声波清洗零件，去除多余物；

步骤9)：三坐标检测零件各内孔、端面尺寸以及形位精度。

2.根据权利要求1所述的一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述薄壁壳体类零件的壁厚≤1.5mm，所述尺寸精度≤0.01mm，所述形位精度均≤0.02mm。

3.根据权利要求1所述的一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤2)中所使用的硬质合金刀具为刃磨后的刀具，刀具后角α0磨成7°～9°，便于承受较大切削力，同时有利于减小摩擦。

4.根据权利要求1所述的一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤7)中，所述加工工装包括第一工装和第二工装，采取基准先行的原则，首先精加工零件外圆，然后通过第一工装和第二工装定位，采用基准统一，即加工两端内孔使用基准统一的原则，精加工轴承安装内孔、轴承隔圈安装内孔以及连接轴安装孔，轴承安装内孔右端面、轴承隔圈安装内孔右端面以及连接轴安装孔左端面。

5.根据权利要求4所述的一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述第一工装为工装筒(1)，所述第二工装为工装盖板(3)，两者之间为连接关系。

6.根据权利要求5所述的一种高精度铝基碳化硅薄壁壳体类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤7)中，所述辅助工装为软性吸振材料(2)，所述软性吸振材料(2)填充在所述工装筒(1)和所述零件(4)之间，以减小加工中零件变形、提高零件刚度。

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