淺談鋁合金薄壁零件加工夾具設(shè)計(jì)

張杰華

【摘 要】在工業(yè)領(lǐng)域鋁合金薄壁零件加工夾具的設(shè)計(jì)十分重要，因此就要在設(shè)計(jì)中保證對(duì)薄壁殼體零件加工變形進(jìn)行有效控制。本文在首選對(duì)零件加工條件進(jìn)行研究，其次對(duì)夾具工藝的優(yōu)化進(jìn)行分析。通過分析發(fā)現(xiàn)對(duì)夾具進(jìn)行優(yōu)化，能夠保證加工效率與質(zhì)量，也能夠?yàn)殇X合金薄壁零件加工提供一些參考意見。

【關(guān)鍵詞】鋁合金；薄壁零件加工；夾具；刀具；毛坯選擇

【中圖分類號(hào)】V262.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）10-0251-01

目前薄壁殼體零件在航天等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，在應(yīng)用中存在變形情況較多與硬度不足等因素，對(duì)薄壁殼體零件的應(yīng)用造成極大制約。所以就要加強(qiáng)對(duì)加工變形的分析，并更好的對(duì)加工變形進(jìn)行控制，這樣才能保證其質(zhì)量。以此對(duì)鋁合金薄壁零件加工夾具的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

一、影響薄壁零件加工精度的因素

第一，易受力變形。在加工過程中工件的壁較薄，這就使得在夾緊力的作用下，工件壁就會(huì)出現(xiàn)變形的情況，一旦出現(xiàn)變形就會(huì)對(duì)工件的精準(zhǔn)度造成極大影響，進(jìn)而影響下一階段的工作；第二，受熱出現(xiàn)變形情況。在加工過程中，由于工件壁較薄，這時(shí)就會(huì)在切削過程中的摩擦力下熱度不斷提高，進(jìn)而出現(xiàn)變形的情況。當(dāng)工件變形后，就對(duì)其尺寸的精準(zhǔn)度很難控制；第三，振動(dòng)變形。由于在加工過程中工件壁較薄，這就使得在粗加工過程中極易出現(xiàn)切削力，使得工件出現(xiàn)變形，這就會(huì)對(duì)工件的精準(zhǔn)度造成極大影響。對(duì)影響薄壁零件加工精度的因素進(jìn)行研究，對(duì)夾具的設(shè)計(jì)研究具有重要價(jià)值。

二、加工工藝

在對(duì)鋁合金薄壁零件的加工工藝進(jìn)行分析時(shí)，是通過某零件進(jìn)行的。某零件為一個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，長、寬、厚分別為435mm、356mm、20mm，且該零件是由鋁合金制作而成。在對(duì)該零件進(jìn)行加工過程中要求平面度與粗糙度控制在0.06mm與Ral.6。在加工過程中對(duì)鋁合金采用進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，很容易受到廢屑的影響，造成刀瘤的出現(xiàn)，廢屑出現(xiàn)的原因是在加工過程中與粗糙度有直接聯(lián)系[1]。同時(shí)，在對(duì)該零件進(jìn)行加工過程中，鋁合金材料受到摩擦很容易出現(xiàn)變形與發(fā)熱的情況，對(duì)加工的有效進(jìn)行造成極大影響。切削震動(dòng)也是鋁合金材料加工過程中產(chǎn)生的不利因素，很容易對(duì)加工質(zhì)量造成影響，這就會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的使用年限造成極大影響。

三、夾具設(shè)計(jì)的原則

1.按照零件的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)夾具過程中一定要按照下面的要求進(jìn)行，這樣才能保證夾具設(shè)計(jì)符合要求。第一，保證其硬度符合要求，并在處理時(shí)通過人工完成；第二，保證夾緊的穩(wěn)固；第三，在設(shè)計(jì)過程中一定要保證夾具使用的便捷性；第四，保證加工過程的簡單易操作。由于在加工過程中，鋁合金原料的剛性效果不好，因此在夾具制作過程過中要保證以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1.1 在夾具使用過程中，定位點(diǎn)上是夾緊力的主要位置，因此要保證定位點(diǎn)的剛性符合要求。不同的接觸面大小的處理會(huì)有不同的結(jié)果。一般情況下保證夾具的穩(wěn)定，這樣才能滿足其使用效果[2]。接觸越小夾具的穩(wěn)定性越高，但接觸面越大也會(huì)出現(xiàn)夾緊力越小的情況。因此在零件加工過程中要對(duì)接觸面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，接觸面積應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加，這樣才能減低受熱變形的情況。

1.2 由于壓緊力過大，在零件裝夾過程中會(huì)出現(xiàn)變形的情況，因此在設(shè)計(jì)過程中要保證壓緊力不是很大。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在壓緊力相同的情況，當(dāng)變形為1時(shí)，情況為三點(diǎn)夾緊，等變形為1/16時(shí)，情況為六點(diǎn)夾緊，而在十二點(diǎn)夾緊的情況則可忽略不計(jì)。所以零件出現(xiàn)變形的情況會(huì)受到夾緊力的影響，一般情況下夾緊力與變形情況呈反比。同時(shí)，也能對(duì)壓緊力的承受點(diǎn)進(jìn)行合理改變，從而保證在力的作用力下，零件部位不會(huì)發(fā)生變形的情況。

1.3 在設(shè)計(jì)過程中，如果遇到較為獨(dú)特的零件，可以將輔助支撐添加到夾具中。

2.夾具設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)過程中使用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)零件加工夾具。當(dāng)毛坯件是被夾住時(shí)，對(duì)精度的要求不是很高，一般可以采取浮動(dòng)定位銷、輔助支撐與支撐釘完成，數(shù)量分別為2個(gè)、3個(gè)、3個(gè)[3]。并根據(jù)實(shí)際情況，選擇夾具上的3個(gè)位置進(jìn)行壓緊點(diǎn)的位置，在這三個(gè)位置用氣缸壓緊。當(dāng)對(duì)毛坯件進(jìn)行測(cè)試時(shí)是利用夾具完成的。在進(jìn)行測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，有三個(gè)點(diǎn)的平面與設(shè)計(jì)圖紙不一致，也就是在這三個(gè)點(diǎn)變形情況較為嚴(yán)重。造成變形情況的原因是由于對(duì)這三個(gè)位置的保護(hù)力度不足，且與夾具的距離太遠(yuǎn)，壓緊力的承受范圍大幅提升。

3.夾具改進(jìn)設(shè)計(jì)。

對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要目的是對(duì)零件的變形問題進(jìn)行有效解決，通過加強(qiáng)筋的應(yīng)用，對(duì)零件的變形區(qū)域進(jìn)行固定[4]。完成改進(jìn)后，相比于原來的夾具得到很大優(yōu)化。壓緊點(diǎn)的數(shù)量增加1個(gè)，也對(duì)原有的3個(gè)輔助支撐的位置進(jìn)行合理調(diào)整。并完成改進(jìn)后要進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)完成測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)不符合要求的平面度只有一個(gè)位置。造成不符合要求的原因是由于在進(jìn)行人工輔助支撐過程中未能進(jìn)行合理操作，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就使得輔助支撐的作用極大的降低。對(duì)該問題進(jìn)行解決時(shí)，一般是將氣動(dòng)支撐代替原來的人工輔助支撐，這樣就能有效較少人工的參與，從而降低人工操作過程中產(chǎn)生的影響。因此就要對(duì)原來的人工輔助支撐進(jìn)行調(diào)整，并將其調(diào)整為氣動(dòng)支撐，等完成調(diào)換后，再進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，毛坯件平面度符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)刀具的改進(jìn)設(shè)計(jì)，有助于滿足平面度的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提高加工的精準(zhǔn)度。

4.刀具選擇。

當(dāng)零件完成加工后，對(duì)粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示為：1-10號(hào)的粗糙度為3.255μm、2.684μm、2.951μm、3. 684μm、3. 514μm、2.875μm、3.241μm、3. 487μm、3. 853μm、3. 117μm、平均值為3. 266μm。

當(dāng)零件進(jìn)行粗糙度測(cè)量時(shí)，要保證零件是經(jīng)過加工的，零件的粗糙度是Ral.6，且粗糙度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不相符合，因此就要對(duì)其進(jìn)行改正。因此對(duì)刀具進(jìn)行選擇時(shí)，一般將原有的一道工序改為兩道工序，并使用粗銑、精銑。在加工過程中零件為薄壁件，在加工過程中要降低刀具的影響，所以規(guī)避震動(dòng)引起的問題，就要選擇合金刀具，這樣才能保證刀具的硬度，這時(shí)就要將加工工序進(jìn)行增加，有兩道工序增加為三道，并且在增加上半精銑，這樣才能降低在加工過程中出現(xiàn)震動(dòng)的影響。當(dāng)完成刀具現(xiàn)在后，要及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求。

當(dāng)完成工藝調(diào)整后，粗糙度的測(cè)量結(jié)果為：1-10號(hào)的粗糙度測(cè)量結(jié)果為1.244μm、0.968μm、1.312μm、1.054μm、1.210μm、0.814μm、1.322μm、1.221μm、1.058μm、1.04μm、平均值為1.121μm。

四、毛坯的設(shè)計(jì)

1.方案一。

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試制過程中，一般在航空產(chǎn)品中，試制產(chǎn)量較小，因此在設(shè)計(jì)中一般以單件為主。在對(duì)單件進(jìn)行加工時(shí)，存在一定的難度，這時(shí)由于工件不是一個(gè)圓件，因此就需要在零件的內(nèi)壁與外壁進(jìn)行槽孔的加工。在機(jī)床上進(jìn)行連續(xù)切削，但在固定過程中存在一定難度，因此需要夾具進(jìn)行固定。但零件壁厚度較低，如果直接進(jìn)行加工，極易出現(xiàn)變形的情況。所以在設(shè)計(jì)中要在零件的上下端安裝弧形板，弧形板的內(nèi)外徑分別為252mm、306mm。通過這樣的設(shè)計(jì)就能增加夾具與毛坯的接觸面積，這樣就能防止出現(xiàn)變形的情況。

2.方案二。

在進(jìn)行產(chǎn)品批生產(chǎn)時(shí)，就目前來看原有的零件已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的情況，這時(shí)由于單個(gè)的零件夾角在120度以內(nèi)，因此一個(gè)圓形毛坯能夠通過三個(gè)零件構(gòu)成，且在圓內(nèi)應(yīng)力分布較為均勻，這樣就使得夾具的應(yīng)用較為簡單。因此在夾具設(shè)計(jì)中，保證在整圓的上下端安裝圓形板，圓形板的內(nèi)外徑分別為252mm、306mm，在零件上端與下端進(jìn)行加厚處理，加厚的厚度分別為8mm、6mm。這就要求在毛坯選擇過程中按照自身的實(shí)際要求進(jìn)行，保證加工的質(zhì)量與效率。

五、結(jié)語

鋁合金薄壁零件加工過程中會(huì)受到各種因素的影響而出現(xiàn)變形，這就要求對(duì)夾具、刀具等各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，從而滿足設(shè)計(jì)需求。因此在改進(jìn)過程中要對(duì)加工工藝進(jìn)行合理優(yōu)化、嚴(yán)格按照夾具設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行改進(jìn)、合理選擇毛坯的設(shè)計(jì)方案，這樣才能滿足設(shè)計(jì)要求，降低在加工過程中出現(xiàn)變形的情況。同時(shí)對(duì)鋁合金薄壁零件加工夾具的設(shè)計(jì)研究，有助于提高我國該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)競(jìng)爭中的核定地位。

參考文獻(xiàn)

[1]廖凱，張蕭笛，車興飛，等.鋁合金薄壁件加工變形的力學(xué)模型構(gòu)建與分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，50（5）：166-172.

[2]樊建勛，徐仁乾，胡自化，等.基于直紋曲面重構(gòu)的鋁合金薄壁件加工變形誤差補(bǔ)償方法[J].航空制造技術(shù)，2017，530（11）：99-104.

[3]任清川，周永，徐雷.深冷處理對(duì)2A12鋁合金薄壁件尺寸穩(wěn)定性的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2018，46（4）：64-67.

[4]閆牧夫，盧琛，張程菘.基于等Biot數(shù)的ZL205A鋁合金大型薄壁件準(zhǔn)同步淬火微變形研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（9）：69-76.