高精度薄壁鋁管體筒體的加工

■北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司機(jī)械公司 （黑龍江齊齊哈爾 161006） 孟祥志 張王生 王德寬 王陸寧 陳文輝

1.零件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件長(zhǎng)度970mm，內(nèi)孔有公差尺寸，外圓有公差尺寸，同軸度0.1mm，和端面垂直度0.1mm，壁厚最小處為3mm，內(nèi)孔止口φ129mm公差為0.04mm。

2.加工工藝性分析

工件變形是筒體加工的主要難題，初步分析有以下原因。

（1）受夾緊力影響產(chǎn)生變形。由于薄壁鋁管件的剛性差，受夾緊力的作用極易產(chǎn)生變形，當(dāng)工件在自定心卡盤中夾緊后，產(chǎn)生彈性變形，加工完畢后，在機(jī)床上測(cè)量工件尺寸合格，將工件從自定心卡盤上取下來(lái)，由于工件彈性變形的恢復(fù)，已經(jīng)車圓的孔又變得不圓了。

（2）切削熱引起工件熱變形。薄壁鋁管件的線膨脹系數(shù)較高，在半精車和精車的一次裝夾連續(xù)車削中，所產(chǎn)生的切削熱對(duì)工件的尺寸和形位精度影響很大。

（3）在切削力（特別是背向力）的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形。振動(dòng)和變形影響薄壁鋁管件的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度。

（4）殘余內(nèi)應(yīng)力使工件變形。

圖1

3.技術(shù)改善措施

為了防止和減少薄壁工件的變形，滿足高精度鋁筒體的加工要求，在加工過(guò)程中采取以下技術(shù)措施。

（1）工件分粗加工、半精加工和精加工三步。粗車時(shí)，夾緊力大些，半精車、精車時(shí)，夾緊力逐漸減小，消除粗車時(shí)因夾緊力大而引起的變形。

（2）加注切削液，降低切削熱，防止熱變形。加工薄壁鋁管件時(shí)，切削液澆注要充分連續(xù)，在刀具切削區(qū)和中心架支撐處，要采用多個(gè)水管進(jìn)行冷卻。粗加工時(shí)，宜采用以冷卻為主的水基切削液；精加工時(shí)，宜采用以潤(rùn)滑為主的油基切削液。根據(jù)不同品種的切削液，濃度保持在10%左右。

（3）采取有效措施，解決高精度薄壁鋁管件加工中的振動(dòng)問(wèn)題。①在加工較長(zhǎng)的薄壁鋁管件時(shí)，增加輔助支撐，使零件的剛性增加，振顫減少，使切削平穩(wěn)，表面質(zhì)量提高。②用中心架支撐工件或夾具時(shí)，應(yīng)調(diào)整好中心架三爪自定心卡盤的中心位置，保證零件回轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)軸線重合。③在保證安全的前提下，合理采用減振裝置，或采用吸振材料填充內(nèi)膛，包裹外形等方式減小振動(dòng)，吸振材料一般采用泡沫、橡膠、毛氈、海綿和布條等。④增加時(shí)效處理，減小應(yīng)力變形。工件粗加工和半精加工后進(jìn)行分級(jí)時(shí)效，均衡內(nèi)部組織、釋放殘余應(yīng)力，根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求安排工序次數(shù)和裝夾方式，并在時(shí)效處理工序，規(guī)定爐內(nèi)零件的均勻擺放區(qū)域。⑤防止磕碰工件。針對(duì)薄壁管件零件表面劃傷、磕碰現(xiàn)象，在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)零件加工階段的實(shí)際需要制作專用流轉(zhuǎn)箱。

（4）合理選擇機(jī)床刀具的幾何參數(shù)和切削加工參數(shù)。①粗加工時(shí)采用普通車床，刀具的刀尖圓弧一般為R0.4mm，薄壁鋁管件粗加工的加工余量在直徑方向上一般為3～4mm，端面一般為3～4mm。切削參數(shù)一般為：切削速度v＝180～250m/min，進(jìn)給量f＝0.2～0.3mm/r，背吃刀量ap＝1.5～2.0mm。②半精加工時(shí)，選用狀態(tài)穩(wěn)定的普通車床或數(shù)控車床，選用的刀具刀尖圓弧為R0.2～R0.4mm。半精加工的加工余量在直徑方向上一般為1～2mm，端面一般為0.5～1mm。切削參數(shù)一般為：切削速度v＝180～250m/min，進(jìn)給量f＝0.2～0.3mm/r，背吃刀量ap＝0.25～0.50mm。③精加工時(shí)，宜選用精度高、狀態(tài)穩(wěn)定、冷卻充分的數(shù)控車床，每班在零件加工前，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)后再開(kāi)始加工。根據(jù)零件加工的精度要求，在加工前應(yīng)檢查設(shè)備主軸的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)情況，滿足加工要求后開(kāi)始加工。

精車較高精度的薄壁套鋁管類零件時(shí)，刀柄的剛度要求高，刀具的修刃不宜過(guò)長(zhǎng)，刀具刃口要鋒利，刀尖圓弧半徑R＝0.2mm，使徑向力減小，從而減小切削時(shí)的擠壓變形，刀具角度要求如下：①外圓精車時(shí)，κr＝90°～93°，κr′＝15°，αo＝14°～16°，αo′＝15°，λs適當(dāng)增大，γo＝15°～20°。②內(nèi)孔精車時(shí)，κr＝60°，κr′＝30°，αo＝14°～16°，αo′＝6°～8°，λs＝5°～6°。

使用數(shù)控刀具精加工內(nèi)孔時(shí)，適用內(nèi)冷圓夾緊阻尼減振刀桿，便于切削時(shí)切削液通過(guò)刀桿中間孔直接澆注刀切削區(qū)，同時(shí)便于快速更換刀片。宜根據(jù)所加工零件的尺寸形狀、材料等合理選用專用于鋁合金材料加工的數(shù)控刀片。

精加工選用的刀具刀尖圓弧一般為R0.2mm，重復(fù)部位采取多刀階梯式切削，即最后一次車削的刀具應(yīng)與前面工步使用的刀具分開(kāi)使用，以保證最終加工質(zhì)量。

精加工余量在直徑方向上一般為0.3～0.5mm，端面一般為0.2～0.3mm。切削參數(shù)一般為：切削速度v＝60～65m/min，進(jìn)給量f＝0.05～0.1mm，背吃刀量ap＝0.05～0.15mm。

改變夾緊方式，應(yīng)用軸向夾緊夾具，解決高精度薄壁鋁管件的夾緊變形問(wèn)題。車削薄壁工件時(shí)，一般不能使用徑向夾緊的方法，最好應(yīng)用軸向夾緊方法。針對(duì)零件筒體的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了粗車、半精車和精車夾具，并根據(jù)切削力的大小，逐漸減小夾緊力，從而減小或消除因夾緊力而產(chǎn)生的變形。半精車、精車外圓時(shí)使用的軸向夾緊夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示，半精車、精車內(nèi)孔時(shí)使用的軸向夾緊夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

粗車時(shí)，使用彈性脹瓦（見(jiàn)圖4）、開(kāi)縫套筒和特別扇形軟卡爪增大裝夾接觸面，使夾緊力均勻分布在工件上，夾緊時(shí)不易產(chǎn)生變形。

圖2

圖3 1.左端蓋 2.夾具體 3.工件 4.右端蓋

4.工藝方案

加工較高精度薄壁鋁管件筒體的工藝方案如下。

（1）粗車。按圖樣成品尺寸，單邊留余量2～3mm。

（2）時(shí)效處理。均化組織及加工應(yīng)力，使組織更趨穩(wěn)定，減少因組織變化引起的組織應(yīng)力及因機(jī)械加工產(chǎn)生的加工應(yīng)力引起的變形。時(shí)效處理溫度為150℃，保溫6h。

圖4

（3）半精加工。外圓和內(nèi)孔直徑留量1～2mm，長(zhǎng)度留量0.5～1mm。

（4）時(shí)效處理。與工序（2）內(nèi)容相同。

（5）基準(zhǔn)加工。使用車床脹瓦夾具，車削筒體外圓，按圖樣要求，全長(zhǎng)尺寸留量0.2～0.3mm；使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削基準(zhǔn)孔，為基準(zhǔn)精加工留量0.3～0.4mm。

（6）穩(wěn)定處理。采用冷熱循環(huán)或冷熱沖擊時(shí)效。穩(wěn)定處理工藝步驟為：冷處理→保溫2～3h→空冷回室溫保持2～3h→熱時(shí)效→保溫2～3h→爐冷至≤80℃后空冷。根據(jù)尺寸穩(wěn)定情況確定處理循環(huán)次數(shù)、工序位置及加工參數(shù)。

（7）基準(zhǔn)精加工。使用車床脹瓦夾具，按圖樣要求控制全長(zhǎng)尺寸；使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削基準(zhǔn)孔，應(yīng)保證零件基準(zhǔn)定位尺寸的加工一致性，確保精加工時(shí)，零件與夾具定位部位達(dá)到較好的配合要求。

（8）數(shù)控精加工。以內(nèi)孔為基準(zhǔn)，使用軸向夾緊夾具精車外圓（見(jiàn)圖5），根據(jù)切削力，減小夾緊力，使外形尺寸達(dá)到圖樣要求。以外圓為基準(zhǔn)，使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削內(nèi)孔各尺寸（見(jiàn)圖6），達(dá)到圖樣要求，精加工φ129+0.04+0mm尺寸時(shí)，夾緊力適當(dāng)減小。

圖 5

圖 6

（9）檢驗(yàn)。一般尺寸的檢測(cè)盡可能采用通用量具。對(duì)于高精度關(guān)鍵和重點(diǎn)尺寸的檢測(cè)可利用專用量具，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、氣動(dòng)測(cè)量?jī)x比較準(zhǔn)確。對(duì)于要求高的形位精度檢測(cè)，為了客觀反映零件加工的實(shí)際狀態(tài)，允許進(jìn)行機(jī)內(nèi)測(cè)量，即在原加工設(shè)備上使用加工時(shí)所用的工裝夾持零件進(jìn)行打表驗(yàn)收。

（10）工件經(jīng)檢驗(yàn)合格后，用汽油清洗干凈，成品如圖7所示。將單個(gè)零件裝入爐料袋中，放入專用周轉(zhuǎn)箱里流轉(zhuǎn)，零件轉(zhuǎn)表面精飾后盡早安排氧化處理，以免因放置產(chǎn)生銹蝕。

圖 7

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高精度薄壁鋁管件筒體的加工工藝試驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)，較好地解決了高精度薄壁鋁管件的加工難題，在批量生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，為以后類似產(chǎn)品的加工提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。