本发明涉及金属材料加工，机床结构件摆架整体铸造、加工成型的铸铝制造方法，一种整体铸铝的摇篮式五轴摆架的制造方法。
背景技术：
现有机床结构的多采用灰铸铁，其强度高，耐磨性好，但白口倾向大，铸造性能差，需进行人工时效处理。用于机械制造中重要铸件，如床身导轨、车床、冲床及受力较大的床身、主轴箱齿轮等；还可用作高压油缸、泵体、阀体等以及镦模、冷冲模和需经表面淬火的零件。同时灰铸铁HT300密度为7300kg/m3，相比较铸铝(7075理算密度为:2850kg/m3)密度大、质量大使得采用灰铸铁零件的机床移动中惯量较大。
铸造摆件的难点在于：摆架的材料采用铸铝代替铸铁，摆件的材质铝7075合金，该材质为航空用途的高强合金，含镁量高2.1-2.9％，成分复杂，冶炼工艺复杂。合金凝固温度范围宽477-635℃，在凝固过程中呈糊状凝固，铸件不易补缩，不容易获得致密铸件。铸件的结构特点为壁厚，超过100mm，轮廓尺寸大，即摆架为厚大结构件，这样的结构，不容易获得致密铸件。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种整体铸铝的摇篮式五轴摆架的制造方法，降低摆架的整体重量，提高对应轴的加速度和提高系统的整体响应。
本发明的技术方案是：
一种整体铸铝的摇篮式五轴摆架，摆架底部为环台，相向径向外延并成直角形成两侧支撑端，一侧支撑上有透孔，壁厚100mm，其特征在于摆架的材料为铸铝合金7075，整个摆架整体铸造、加工成型；摆架毛坯的主要成分是铝，按重量百分比计，非铝成分包括铜Cu1.6％，镁Mg2.5％，铬Cr0.23％，锌Zn5.6％，硅Si0.2％，铁Fe0.25％；力学性能：σb极限抗拉强度测试530Mpa，σ0.2屈服强度测试460Mpa，δ5延伸率测试8％；加工精度：C轴电机安装面a及A轴电机安装面b，其平面度为0.005mm。
所述铸铝摆架的制造方法：
1.合金的熔炼和浇注
在冶炼时为保证镁的有效含量，采用聚合物水泥基复合防水材料RJ-1覆盖，用中压加氢改质催化剂RT-5精炼除渣，液态呈镜面熔炼温度700-750℃；
2.摆架的铸造
采用低注式充型工艺，浇筑前对模具型腔充高纯氩气除气，以防止镁的烧损与氧化，摆件的两个支撑端上放置大型冒口，冒口尺寸为60*60*200mm，以利补缩铸件，铸件底部放置冷铁，冷铁尺寸为80*80*200mm，通过冷铁与冒口调整铸件的温度梯度，使铸件自上而下形成顺序凝固；为获得致密铸件，再采用加压凝固工艺：浇注充型后，在10秒内迅速把砂型整体推入压力釜内加压，1.2atm，保压30min，液态金属在压力下凝固，强制补缩铸件；
3.摆架的热处理
摆架采用固溶处理加完全人工时效热处理工艺
即：460±5℃,保温20h后，在80℃温水中淬火，为保证固溶效果，转移时间≤15秒，时效温度为：121±5℃，保温6h，165±5℃，保温12-18h；
4.摆架的加工工艺
整体铸造摆架毛坯，整体装夹，整体加工，其特征在于加工工艺：采用立加机床加工径向孔及径向端面，卧加机床加工轴向孔及轴向端面，多次重复减少加工余量，直至加工余量0.2-0.3结束重复加工，每次加工都要保证孔与相应端面垂直，端面平面度0.01以内，最终精加工时全部由卧加完成，保证各面形位公差及相应尺寸公差。
所述摆架的轴向孔及轴向端面加工工艺中使用的夹具：包括四爪方形卡盘，其特征在于制备加长卡爪5，用平键、螺钉把合在四爪方形卡盘6的四个爪上，使加长卡爪5延长至摆架水平轴孔内径，卡具整体安装在修配工作台上，将卡爪向外调动，以被加工轴向孔直径尺寸修整加长卡爪的顶紧端面。
效果：为了满足五轴摆架轻量化设计，本发明采用铸铝合金7075代替铸铁HT300制造摆架。纯铝的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性(δ:32～40％，ψ:70～90％)，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，我们以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。7系铝7075，它包含有锌和镁等矿物元素，沈阳宇航金属材料所的研究报告表明，常见的铝合金中强度最好，适合飞机构架及高强度配件，适合CNC切削制造。锌在这系列中是主要合金元素，加上少许镁合金可使材料能受热处理，消除应力，加工后不会表形、翘曲，到达非常高的强度特性，还可经超声波探测，可保证无砂眼。
本发明的有益效果是：
铸铁摆架的重量为205Kg，铸铝摆架的重量仅为75Kg，整体重量减低130Kg。A轴加速度铸铁摆台为7rad/s2，而应用在智能多轴立式加工中心上的铸铝摆架，加速度为18rad/s2。速度增益铸铝摆架也可提高一倍。机床的加速度和响应有显著提高。本发明制造方法解决了立式、卧式双加工过程中加工难点：
1、两A轴轴向孔同轴，如图1中d；
2、两A轴轴向孔d与C轴电机径向孔垂直，如图1中c；
3、关键平面平面度为0.005mm。
4、加工形变的影响与控制
双轴转台摇篮A轴向两孔之间距离在800mm左右且中间隔断，不能一次镗出，想保证两孔同轴度0.01mm以内有一定的难度。首先可靠的加工工艺手段是其关键，回转精度良好的设备是其基础，稳定牢固的装夹方式是其保障。
附图说明
图1为本发明A轴单驱用的铸铝摆架外观图；
图2摆架与AC轴装配视图；
图3摆架的成分检验报告；
图4产品力学检验报告；
图5为智能多轴立式加工中心整体装配A轴单驱摆架的示意图；
图6为整体加工摆架的轴向孔及轴向端面加工工艺中使用的夹具主视图；
图7为图6的侧视图；
图8为图6的俯视图。
具体实施方式
本发明整体铸铝的摇篮式五轴摆架的结构见图1，A轴单驱用的摆架，图中d为A轴电机安装孔的两同轴孔，在标出b的支撑端处有透孔，为支撑端通孔，在相对侧外侧有盲孔，为A轴电机安装孔；如果A轴为双驱，则在两支撑端都在外侧有盲孔，没有透孔。C轴电机径向孔c，与A轴电机安装孔d垂直。
所述整体铸铝的摇篮式五轴摆架的成分见图3：
摆架毛坯的主要成分是铝7075，按重量百分比计，非铝成分还包括铜Cu1.6％，镁Mg2.5％，铬Cr0.23％，锌Zn5.6％，硅Si0.2％，铁Fe0.25％。
力学性能见图4：本发明铸铝材料执行国家标准：GB/T3880.1-2006。样品委托编号20160402，由沈阳宇航金属材料研究所检测。
σb极限抗拉强度测试 530Mpa
σ0.2屈服强度测试 460Mpa
δ5延伸率测试 8％。
铸铝7075摆架的铸造方法：
1.合金的熔炼和浇注
在冶炼时为保证镁的有效含量，采用聚合物水泥基复合防水材料RJ-1覆盖，用中压加氢改质催化剂RT-5精炼除渣，液态呈镜面熔炼温度700-750℃。
2.摆架的铸造工艺
采用低注式充型工艺，浇筑前对模具型腔充高纯氩气除气，以防止镁的烧损与氧化，摆件的两个支撑端上放置大型冒口，冒口尺寸为60*60*200mm，以利补缩铸件，铸件底部放置冷铁，冷铁尺寸为80*80*200mm，通过冷铁与冒口调整铸件的温度梯度，使铸件自上而下形成顺序凝固；为获得致密铸件，再采用加压凝固工艺：浇注充型后，在10秒内迅速把砂型整体推入压力釜内加压，1.2atm，保压30min，液态金属在压力下凝固，强制补缩铸件。
3.摆架的热处理
摆架铸件采用固溶处理加完全人工时效T6热处理工艺
即：460±5℃,保温20h后，在80℃温水中淬火，为保证固溶效果，转移时间≤15秒，时效温度为：121±5℃，保温6h，165±5℃，保温12-18h。
4.摆架的加工
本发明的铸铝摆架装配在智能多轴立式加工中心上，图2、图5中摆架1中心C轴电机径向孔c安装C轴直驱电机及工作台4，左侧为A轴直驱电机2，为主动运动端。右侧为支撑端3，起到辅助支撑的作用。
根据铝7075合金的凝固特性及铸件结构特点，本发明特征在于机加工工艺如下：
整体铸造摆架毛坯，整体装夹，整体加工，采用立加机床加工径向孔及径向端面，卧加机床加工轴向孔及轴向端面，多次重复减少加工余量，直至加工余量0.2-0.3mm结束重复加工，每次加工都要保证孔与相应端面垂直，端面平面度0.01mm以内，最终精加工时全部由卧式加工中心完成，保证各面形位公差及相应尺寸公差。
见图1，首先要将摆架1C轴电机径向孔c的底面进行半精加工后作为基准面，保证其基面与A轴电机安装孔d的中心连线平行，基面的平面度要保证在0.01mm以内；A轴电机安装孔d的端面做为加工C轴电机径向孔c的基准面。
其次以C轴电机径向孔c的基准面为装夹平面，把合牢固，粗镗C轴电机两安装面a，多次加工，每次加工量在1mm左右，最终留量0.2-0.3mm，然后上浮动镗刀分3次精镗，如果设备的回转精度良好，按以上加工工艺进行加工，完成之后基本能保证两孔d同轴在平面度0.01mm以内。浮动镗刀能自动补偿由刀具安装误差、机床主轴偏差而造成的加工误差。
其中关键平面为C轴电机安装面a及A轴电机安装面b，其平面度要求为0.005mm。
支撑良好的基准平面度是其关键。C轴电机两安装面a的端面做为加工A轴电机安装面b上径向A轴电机支撑孔d的基准面。以C轴电机两安装面a为基准面，上工装、装夹牢固后半精铣镗A轴电机安装面b的端面、半精铣镗A轴电机支撑孔d。半精加工后用三坐标检测，分别检测A轴电机安装面b的端面与C轴电机安装面a基准面的垂直度、A轴电机支撑孔d与C轴电机两安装面a的垂直度。以检测数据为基础，重新上工装装夹，装夹过程考虑检测数据做微调，找正C轴电机径向孔c的底面及C轴电机径向孔c在0.005mm以内，再数次加工C轴电机径向孔c，每次加工≤0.5mm左右，最终留量≤0.2mm，再做最终精加工，达到精度要求。
保证关键平面的平面度需数次半精加工后留量0.1-0.15mm之间，用单刃镗刀最终精镗平面。关键平面如C轴电机安装面a、C轴电机径向孔c及A轴电机安装面b。
加工形变的影响需大量的试验数据进行分析总结，考虑到双轴转台摇篮的结构特性、材料特性，在加工双轴转台摇篮时必须重视加工形变的影响。每次试验加工时，都需要对吃刀量、加工参数、加工刀具、加工后的形变量做精细的统计，为分析形变做坚实的基础。
见图6～8，所述摆架的轴向孔及轴向端面加工工艺中使用的夹具：包括四爪方形卡盘，其特征在于制备加长卡爪9，用平键、螺钉把合在四爪方形卡盘10的四个爪上，使加长卡爪9延长至摆架水平轴孔内径；卡具整体安装在修配工作台上，将卡爪向外调动，以被加工轴向孔直径尺寸修整加长卡爪9的顶紧端面达直径365mm。
卡具装配结构：通用的四爪方形卡盘10下部通过螺栓与连接铁11固定，连接铁11用内六角柱头螺钉6与底部的连接板5固定，四爪方形卡盘10四周用垫铁8挤紧并用导向平键7调整摆架平面、用螺栓与垫铁8紧固。图7侧视：摆架1中心C轴孔径向延展为垂直支撑端3，支撑端3宽部用四个调节块17、勾式夹具16与螺栓固定在垫铁8上，从宽端上面、侧面挤压靠紧支撑端3。推板15通过不同内六角柱头螺钉6、导向平键7及推板座18固定在垫铁8上，对摆架中部构成支撑。推杆12由六角螺母-C级13与推杆座14组合安装在推板15外侧，构成对摆架1长边中部的推挤。