鋁合金薄壁筒形零件車削與夾具

吳延群

摘要：為了滿足鋁合金薄壁零件機(jī)械加工的需要，要實(shí)現(xiàn)其加工系統(tǒng)的優(yōu)化，促進(jìn)其內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的有效協(xié)調(diào)，以滿足日常工作。在鋁合金薄壁零件的機(jī)械加工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其加工模式、材料特性的有效分析，從而滿足鋁合金薄壁零件的加工需要，保證日常工作的質(zhì)量效率的提升。采取提高工藝系統(tǒng)剛度，進(jìn)行多次工序間熱處理，選擇合理切削用量、充分冷卻等措施，通過(guò)新設(shè)計(jì)的車削夾具及優(yōu)化刀具角度等工藝方法的改進(jìn)，提高了鋁合金薄壁筒形零件的加工質(zhì)量.以薄壁筒體車端面和精車內(nèi)、外圓為例，結(jié)合典型夾具結(jié)構(gòu)，分析和介紹改進(jìn)后的工藝方法。

關(guān)鍵詞：鋁合金薄壁筒形零件;車削夾具;切削用量;夾緊變形

近年來(lái)，在國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠的機(jī)加工生產(chǎn)過(guò)程中，鋁合金零部件的加工數(shù)量逐漸加大，且形狀越來(lái)越復(fù)雜，尺寸精度和粗糙度要求越來(lái)越高，尤其是鑄造鋁合金殼體類零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造壁薄，體積越來(lái)越大。鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強(qiáng)，切屑不易分離，切削過(guò)程中很容易粘附在刀刃上產(chǎn)生刀瘤，鋁合金薄壁件一般剛性較差，工件在加工中容易產(chǎn)生變形，鋁的線膨脹系數(shù)（0.0000238）比鋼的線膨脹系數(shù)（0.00001）大將近2.4倍，在切削加工過(guò)程中，熱變形較大，鋁合金材料的硬度偏低，在加工過(guò)程中，加工面容易劃傷，很難達(dá)到表面粗糙度要求。因此加工過(guò)程中，由于切削熱及裝夾變形對(duì)鋁合金零部件的加工精度和表面粗糙度影響很大。如何解決這個(gè)問(wèn)題，以提高鋁合金薄壁零件的成品合格率，這給機(jī)械加工工藝人員提出了新的課題。我廠生產(chǎn)的一種鋁合金薄壁筒形零件，長(zhǎng)度為 400- 410 mm，直徑 154 mm，壁厚為 1.5mm，因其材料的線膨脹系數(shù)為鋼的 2倍，彈性模量為鋼的 1/3，加之徑向剛度很低，在切削力、切削熱及裝夾力的作用下極易變形.對(duì)此，除采取提高工藝系統(tǒng)剛度，進(jìn)行多次工序間熱處理，選擇合理切削用量、充分冷卻等措施外，還圍繞 減少工件所受非均勻徑向力這一關(guān)鍵，設(shè)計(jì)了薄壁筒體加工系列夾具，工件裝夾過(guò)程中，實(shí)行一次定位成型，施加較小的夾緊力，以減小人為誤差，并相應(yīng)調(diào)整了加工工步和刀具切削參數(shù).本文以薄壁筒體車端面和精車內(nèi)、外圓為例，結(jié)合典型夾具結(jié)構(gòu)，分析和介紹改進(jìn)后的工藝方法.

一、精車端面及夾具

由于工件的徑向剛度低，為減少工件的夾緊變形，在精加工筒體內(nèi)、外圓時(shí)，宜采取軸向壓筒體兩端面的方式.此時(shí)，如端面不平行，則會(huì)由于軸向壓緊力的不均勻而在筒壁某處隨機(jī)生成冗余的徑向分力.這種內(nèi)應(yīng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，在連續(xù)的切削過(guò)程中往往表現(xiàn)為肉眼可見(jiàn)的、非連續(xù)的數(shù)個(gè)切削表面，即筒體出現(xiàn)變形.所以，對(duì)于精車內(nèi)、外圓前的端面平行度，應(yīng)引起足夠重視并嚴(yán)加控制。

為研究設(shè)計(jì)的車端面夾具，該夾具以心軸 2左端錐柄在機(jī)床主軸孔內(nèi)定位，心軸右端中心孔在尾座頂尖的支承下定位.脹盤 3由重量輕、減振效果好、硬度低、對(duì)筒體內(nèi)壁有保護(hù)作用的尼龍材料制成，其圓周面上按 45均布加工出多條寬度小于 2mm 的槽口.由鎖緊螺母 5緊固脹盤，在脹心 4的推動(dòng)下，脹盤直徑增大并與工件內(nèi)壁緊密貼合，這種近似于整圓周的均勻支承不但定位精度高，而且避免了裝夾時(shí)多邊變形的誤差復(fù)映，脹力的大小也易得到控制.左端盤 1由卡盤爪堅(jiān)固后按錐面精車定位面，以消除跳動(dòng)誤差，并可適應(yīng)同批筒體內(nèi)徑的微小變化.加工時(shí)，心軸、脹盤、端盤與工件形成一剛性回轉(zhuǎn)體，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾下車削兩端面的要求，能可靠地將平行度控制在 0.01mm之內(nèi).

二、精車內(nèi)圓及夾具

精車內(nèi)圓時(shí)，宜采取徑向半柔性定位，軸向壓緊 ？的方式，為避免工件外圓所受非均勻裝夾力，采用了如圖 2所示的筒形整體夾具結(jié)構(gòu).夾具體 1左端用螺栓與車床主軸法蘭盤連接，其內(nèi)圓周表面經(jīng)精確找正后，與車床主軸回轉(zhuǎn)中心同軸，既可作為工件徑向定位面，又能承受切削時(shí)的徑向力，增強(qiáng)工件剛度.由于工件與定位面之間處于半柔性的間隙配合狀態(tài)，可有效地避免徑向應(yīng)力，由鎖緊螺母 軸向壓緊工件端面.加工完畢后，可通過(guò)主軸孔向右方對(duì)擋板 2施力，以便推出工件.制造該夾具時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證擋板兩端面之間的平行度，以及夾具體左端軸向定位面相應(yīng)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的垂直度。

三、精車圓及夾具

精車外圓為筒體車削的最終工序，此時(shí)，壁厚僅為 1.5 mm，必須嚴(yán)格避免各種形式的徑向力對(duì)工件的影響.采取徑向定位，軸向壓緊的方式，精車后的筒體內(nèi)圓以左、右端盤的外圓定位，左端盤以精車后的卡盤三爪夾持定位，內(nèi)孔與心軸采取緊密配合，心軸右端仍以中心孔在尾座頂尖支承下定位，可保證良好的回轉(zhuǎn)精度.在鎖緊螺母推動(dòng)下，右端盤沿心軸滑動(dòng)直至壓緊工件，避免了旋轉(zhuǎn)壓緊方式對(duì)工件產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力.為增加筒體剛度并吸收切削振動(dòng)，于筒體內(nèi)預(yù)置一塊與內(nèi)圓周表面積相等的橡膠板（厚度 3mm），筒體回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力可使橡膠板均勻緊貼在筒體內(nèi)壁上.有效地起到、增加壁厚、提高剛度、吸收切削振動(dòng)的作用.

四、刀具的選擇

在加工中，高速切削會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，盡管切屑能帶走大部分熱量，但在刃前區(qū)仍能產(chǎn)生極高溫度，由于鋁合金熔點(diǎn)偏低，使得刃前區(qū)常常處于半熔化狀態(tài)，使工件在切削點(diǎn)處的強(qiáng)度受高溫影響大幅度下降，容易產(chǎn)生鋁合金零件在加工過(guò)程中形成的凸凹缺陷。因此，在精加工過(guò)程中，通常選用潤(rùn)滑性能好，粘度低，冷卻性能好的煤油做切削液。在潤(rùn)滑刀具的同時(shí)，及時(shí)帶走切削熱，降低刀具刃前區(qū)及零件加工面的溫度，減小零件溫度變形。綜合考慮到鋁合金材料的加工特點(diǎn)以及加工中振動(dòng)和切削力所引起的變形，粗加工刀具材料選用硬質(zhì)合金刀具YG6。由于粗加工對(duì)尺寸精度和表面粗糙度要求不高，但為了滿足后序加工定位精度要求，工藝要求表面粗糙度達(dá)到3.2。刀具角度參數(shù)：前角35°，后角10°，主偏角50°，副偏角10°，刃傾角8°，副后角6°，刀尖半徑0.5°刀桿材料為45鋼。精加工是機(jī)械加工最后一道工序，尺寸已基本趨向最終尺寸，對(duì)薄壁圓筒來(lái)說(shuō)，刀具的幾何角度參數(shù)尤為重要。增大刀具主偏角，使其徑向切削力趨于0，控制了薄壁圓筒的變形;增大前角角度，使刀具更鋒利;增大后角，減少摩擦，降低表面粗糙度;為減少?gòu)较蛄?，避免產(chǎn)生振動(dòng)，副偏角不宜選得太小。高速鋼外圓精車刀角度參數(shù)：前角30°，后角14°，主偏角93°，負(fù)偏角15°，刃傾角8°，副后角6°，刀尖半徑0.2°。切削用量車削粗加工時(shí)，轉(zhuǎn)速n =560r/m i n，進(jìn)給量f=0.25mm/r，t=0.5mm。車削精加工時(shí)，轉(zhuǎn)速n =200r/m i n，進(jìn)給量f=0.10mm/r，t=0.1mm。

五、加工效果

按照上述工藝保證過(guò)程，零件的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到圖樣要求，工藝保證得到了批量生產(chǎn)的驗(yàn)證，證明了其合理性。雖然鋁合金薄壁筒是加工中的難點(diǎn)，但是只要有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行工藝分析，掌握其變化規(guī)律，采取有效的工藝措施，制訂切合實(shí)際的工藝保證過(guò)程，都是可以被攻克的。合理的加工方法、裝夾方式及切削參數(shù)是保證、鋁薄壁零件尺寸加工精度的關(guān)鍵。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，這組夾具結(jié)構(gòu)合理，定位可靠，夾緊力均勻，整體剛度高，通用性好，而且因其輕便、靈活，切削速度提高 1倍，達(dá)到 200m /m in，單人即可輕松地操作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著切削速度的提高，還可大幅度降低切削力，改善切削條件。在生產(chǎn)過(guò)程中，各類筒體加工完畢后均在機(jī)床下檢測(cè).圓度誤差穩(wěn)定控制在 0.15 m 之內(nèi)，同軸度小于0.05m，直線度 0.10m，一次交檢合格率大于 98%，完全達(dá)到了圖樣設(shè)計(jì)要求，提高了生產(chǎn)率，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 魯昌國(guó)，黃宏偉.機(jī)械制造技術(shù) [M ].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.

（作者單位：山東冶金機(jī)械廠有限公司）