原标题：基于变形控制的薄壁板状压铸件加工精度保证

摘要：以中间板为例介绍了薄壁板状压铸件机加工时的主要难点，以及如何在开发时对加工方案进行分析，找出保证加工精度的控制要点，以提高过程开发的质量。在试生产时，通过数据分析，发现数控加工中心的热变形导致机加工孔位工程能力不足，通过采取误差补偿的方式解决了问题，杜绝了位置度超差不良品的产生。

随着制造业的迅速发展，对机械零件比强度和比刚度的要求越来越高，薄壁板状结构件被大量采用。此类结构件普遍存在铸造和机械加工工艺性差的特点，毛坯在铸造生产时容易变形，零件在机加工过程中也容易因残余应力和支撑装夹方式不当变形，导致加工尺寸及位置度超差，甚至影响疲劳寿命以及工作强度。本课题以中间板为例，讲述了如何通过抑制压铸和机加工过程的变形，保证薄壁板状压铸件的加工精度。

1.零件加工工艺与技术难点

中间板是某汽车变速箱内用于固定两侧马达的关键零件，质量约1.2 kg，材料为ADC12压铸铝合金,外形见图1，属典型的薄壁板状零件，呈圆盘状，外形尺寸约为Φ340 mm，中间连接部的壁厚为5 mm,为使设计轻量化，有大面积镂空，大大地降低了零件的刚性，增加了压铸和加工的难度。

图1：中间板的外形图

主要加工部位为正反（或称动、静模）两侧安装平面、正反两侧若干销孔、螺纹孔及中心大孔加工。其中最大的技术难点有两点，相关位置示意见图2。

（1）证静模侧基准面  a的平面度0.07CZ（由5处小平台组成）；保证动模侧基准面d的平面度0.07CZ（由6处小平台组成），以及基准面d相对基准面a的平行度0.05。

（2）证分别位于动静、模两侧的6个销孔  （编号为P1-1、P1-2、Z3-1、Z3-2、V3-1、V3-2）相对于基准b/c/a的位置度Φ0.06，其中P1-1、P1-2是贯通孔，其余4孔是盲孔。

对于以上平面度、平行度和位置度，客户要求工程能力指数CP值达到1.67以上。

（a）静模侧 （b）动模侧

图2：有严格精度要求的部位示意图

为保证以上要求，减少毛坯变形以及多次装夹对精度的影响，制定分两道工序的加工方案：

①10工序，采用位于动模侧的粗基准定位，加工出精基准（基准面a和两个定位工艺孔）

②20工序，采用统一的精基准（10序加工出的基准面a和两个定位工艺孔），同一个夹具，在配备U轴的四轴加工中心上，通过U轴的翻转，将6个销孔与中心大孔在同一个工序加工出来。每个销孔都采用两把铰刀分别进行粗、精加工而成。

2. 机加工工艺控制要点分析

2.1 毛坯方面

对于中间板薄壁板状零件，为保证其尺寸精度，压铸过程的控制重点有3个：①在设计动、静模侧的抱紧力时动模侧的抱紧力要大于静模侧，确保开模瞬间铸件顺利脱离静模，不变形。②模具顶杆的设置要合理，确保铸件从动模脱离时不变形  顶杆的位置要设置在刚性好的部位，当铸件局部不具备放置顶杆的位置时，可设置溢流槽放置顶杆。③压铸过程中要严防拉伤、粘模等缺陷  杜绝卡冲头等导致局部抱紧力骤增的现象。

中间板压铸后的清理工序会产生变形风险。首先是浇口、溢流槽与毛坯的去除，不宜采用简单的敲打方式，要采用专用切边模。其修配必须专模专配，每套压铸复制模使用各自专用的切边模。抛丸处理过程中，中间板毛坯在悬挂时，挂孔宜选择在刚性较好的部位，配合不宜过紧，必须保证有一定的活动量，以防止变形。

另外，中间板压铸过程产生了大量的残余应力，在后续的工序（特别是抛丸、机加）过程中， 残余应力得以释放， 破坏了原有的平衡状态，应力重新分布，达到新的平衡状态，产生变形。 为降低残余应力对机加工精度的影响，一是压铸的留模时间等参数的设置要合理，二是加工余量不宜过大，必要时可在机加工前设置人工时效工序进行稳定化处理。

2.2 夹具方面

中间板的10工序夹具，以毛坯粗基准定位，采用一面两销定位，为保证定位的稳定可靠并防止过定位，“一面”采用3个固定支撑点来实现，另有多个浮动的辅助支撑点设置在切削受力大或工件刚性差的部位。

20工序工艺也采用一面两销定位方案，采用前道工序加工完成的a基准面和两个定位孔定位。因为工件刚性差，必须设置多点支撑，在每个加工孔处均应设置支撑点，这样才能防止在加工孔时因定位悬空而导致的局部让刀、发弹和变形。a基准面的5个小平台，因为加工后平面度好，设置成固定支撑，其余支撑点采用液压浮动辅助支撑，作用于毛坯面。20工序的夹具结构见图3。

由于中间板刚性差，很小的的夹紧力矩也能产生杠杆效应，使工件产生局部变形，加工后回弹，降低加工精度。因此，对这类零件夹紧点与支撑点必须点对点设置，尽量使夹紧力臂为0。动作顺序是：工件放置到位→固定支撑夹紧→浮动支撑上浮→浮动支撑夹紧点夹紧。

①头②U轴尾架③尾架L板④夹具底板⑤菱形销⑥浮动支撑⑦固定支撑⑧预定位导向柱⑨圆形销

图3：中间板20工序夹具

3.试生产工程能力验证结果

在对中间板加工的毛坯、夹具、刀具、机床各环节加以控制后，小批量生产阶段必须对中间板的各关键尺寸进行工程能力验证。取同一班次连续生产的30个工件进行三坐标位置度测量，各关键尺寸工程能力均达标。这表明,毛坯和零件加工的变形得到了有效地控制，开发取得了初步成功。

为顺利向量产过渡，还必须进行等时间间隔生产零件的工程能力验证。这时发现在无任何变化点的情况下，随着加工时间的推移，各孔的Y向坐标出现了较大的偏移，导致各孔位置度工程能力不足。以Z3-2孔为例，其波动见图4（间隔1小时取样）。

4. 问题原因分析及改善措施

由于连续生产的30件工程能力足够，且同个工件各孔X向坐标和铣平面平面度无异常，高度怀疑各孔Y向坐标随时间有规律波动是机床的热变形导致的。为此，安排了对所用立式加工中心进行X\Y向坐标随时间变化的热偏移测试，其结果见图5。

由图5可知，加工中心X向热偏移较小，而Y向则存在较大的热偏移，7 h之内，累计偏移量达到0.02 mm以上，验证了先前的推测，也与立式加工中心在生产时的热变形规律一致。X\Y轴变形量是由主轴径向热伸长、主轴箱热变形、丝杠膨胀和立柱热变形等几部分原因共同作用而成的，由于机床在X方向存在对称结构，产生的偏移可以被抵消一部分，故Y轴的热变形远远大于X轴。

为减少数控机床热变形对加工精度的影响，一般从减少发热、控制温升、热误差补偿 3 个方面着手。作为机床的使用者，则更多地侧重于热误差补偿。在与设备供应商沟通之后，采用以下方法进行误差补偿：在夹具底板上设置1个贯通的校准孔，在夹具正面加工时，通过测头检测夹具上的校准孔，见图6a，调整正面加工程序的工件坐标系，消除误差后再进行正面的加工。夹具通过U轴翻转后，通过测头检测夹具上的校准孔，调整反面加工程序的工件坐标系，消除误差后再进行反面的加工,见图6b。这种补偿是通过宏程序实现的，每5件补偿1次，耗时30 s，平均6 s/件,见图6c。

图6：机床热误差的补偿

误差补偿措施采取后，对工件各孔进行等时间间隔抽样的工程能力验证，全部合格。

这种根据实际偏移量进行热误差补偿的方式，因为需要换测头并测量，对加工效率有一定的影响。可以试行一段时间，如果偏移被证明有稳定的规律可循，则可以省去测量，直接预设补偿量，达到提高效率的目的。

5.结语

（1）首先毛坯的变形量要控制在一个合理的范围内，为机加工提供相对可靠的定位粗基准。毛坯加工余量的预留量取决于其尺寸精度，精度越高，余量可越小。

（2）对薄壁板状工件，夹具的设计与制造质量至关重要，调试合格之后，日常维护也要重视。

（3）机床的热变形对铣平面平面度的影响不大，对孔位的影响有时非常大，要设法补偿。

作者：
黄志伟 李珊
岭南师范学院机电工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第02期