一種防止薄壁柔性零件加工變形的加工工藝

□ 張毅鋒 □ 稅阿英 □ 張朋鋮

西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限責(zé)任公司 西安 710065

1 問題提出

薄壁柔性零件外形如圖1所示，材料為棒2A12-T4，φ50 mm。該零件為典型的薄壁件，尺寸及形位精度要求較高，在加工時由于工藝方法不當(dāng)或裝夾變形等因素，很難保證零件的加工精度。筆者通過多次試驗，摸索出一套針對該零件的加工工藝方法，通過制定合理的加工工藝流程，并配以簡單的專用工裝和測量方法，可以保證此類零件的加工質(zhì)量且加工成本較低，適用于該類零件的批量加工。

2 零件加工難點分析

2.1 材料狀態(tài)不確定性的影響

供貨材料為棒2A12-T4，φ50，屬于Al-Cu-Mg-Mn系合金， 其主要化學(xué)成分：0.5%Si、0.5%Fe、3.8%～4.9%Cu、0.3%～0.9%Mn、1.2%～1.8%Mg、0.03%～0.15%Ti。2A12-T4合金在Al-Cu-Mg-Mn系三元狀態(tài)圖中處于 α（Al）+θ（CuAl2）+S（Al2CuMg）相區(qū)的右側(cè)，其主要強化相是 S（Al2CuMg），其次是 θ（CuAl2）相，由于 S 相的時效強化效果比θ相強，因而2A12比標(biāo)準(zhǔn)鋁具有更高的強度和屈服極限以及良好的耐熱性。在粗加工過程中，切削刃在相對較硬的S相上切削，同時由于形狀不準(zhǔn)確，單邊切削量之間存在著比較大的差異，工件原有的應(yīng)力平衡條件受到破壞，而內(nèi)部組織的平衡狀態(tài)又極不穩(wěn)定，有恢復(fù)到無應(yīng)力狀態(tài)的強烈傾向，殘余應(yīng)力重新分布直到完全松弛，使工件發(fā)生變形，達(dá)不到預(yù)期的加工精度。

2.2 零件尺寸及形位公差的影響

如圖1所示，零件徑向單邊最小厚度僅為0.3 mm；軸向呈2°的錐度，最小厚度僅為0.38 mm，最大厚度為0.82 mm；零件的內(nèi)外溝槽呈對稱布局，底面處在同一基準(zhǔn)平面上，見圖1放大部分所示。在內(nèi)外溝槽切削成型過程中，內(nèi)外切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將直接影響到零件整體的平面度，這是該零件加工是否成功最為關(guān)鍵的位置度要求，0.02 mm的垂直度相對平面度來說容易保證。

圖1 薄壁柔性零件外形圖

2.3 工件安裝時夾緊力的影響

工件安裝的夾緊力過大，使工件產(chǎn)生塑性變形，加工完畢松開后有恢復(fù)到原來的傾向，從而影響零件的形位公差。

2.4 切削加工殘余應(yīng)力的影響

2.4.1 刀具

切削過程中刀刃前方的工件材料受前刀面的擠壓，使即將成為加工表面層的金屬在切削方向（沿已加工表面方向）產(chǎn)生壓縮塑性變形，在切削后受到與之連成一體的里層未變形金屬的牽制，從而在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。另外，刀具后刀面與已加工表面產(chǎn)生很大的擠壓與摩擦，使工件表面產(chǎn)生拉伸塑性變形，刀具離開后，在里層材料的作用下，也會在工件表層及里層產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的綜合作用將使工件產(chǎn)生加工變形。

2.4.2 切削條件

切削時的強烈塑性變形與摩擦，使工件已加工表面層產(chǎn)生較高的溫度，而里層溫度則較低，溫度高的

表層體積膨脹，將受到里層金屬的阻礙，從而使表層金屬產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服極限時，將使表層產(chǎn)生壓縮塑性變形。切削后表層溫度冷卻到室溫時，使體積收縮，從而受到里層金屬材料的牽制，使表層金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，引起工件變形。

2.5 測量因素的影響

由于零件較薄，不但加工時容易產(chǎn)生變形，測量時也容易產(chǎn)生變形。如果用常用的千分尺和內(nèi)徑千分表測量，因檢具的測量力較大，會使零件產(chǎn)生變形。輕則影響零件尺寸測量的準(zhǔn)確度，造成零件尺寸超差；重則引起零件塑性變形，造成零件報廢。

3 零件加工難點的解決方案

3.1 材料

通過訂購正規(guī)生產(chǎn)廠家的材料，并在購買材料后對材料進行金相分析、化學(xué)分析及力學(xué)性能分析，與廠家提供的《產(chǎn)品質(zhì)量證明書》進行對比，做到加工件必須采用合格的材料。

3.2 加工工序的確定

在制訂加工工序過程中，考慮到零件的最終平面度為0.02 mm，所以先加工徑向內(nèi)外溝槽一面，同時加工零件厚度至圖紙尺寸，具體工序如表1所示。再通過夾具裝夾，加工軸向錐度一面，具體工序如表2所示。徑向內(nèi)外溝槽加工完成，零件須進行人工時效（自然時效 48 h）。

表1 零件加工工序之一

表2 零件加工工序之二

3.3 刀具、切削速度及切削條件的選取

首先，采用不同廠家的刀具經(jīng)過多次試加工，最終發(fā)現(xiàn)Sandvik的刀具加工效果最好。其次，數(shù)控車削加工中的切削用量包括切削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n或切削速度vc（用于恒線速度切削）、進給速度vf或進給量f，這些參數(shù)均應(yīng)在機床給定的允許范圍內(nèi)選取，具體參數(shù)見表3。最后，在切削過程中必須進行冷卻，本零件加工全過程采用亞倫斯有色金屬專用切削液，能充分對刀具和工件進行冷卻，使刀具和零件溫度恒定在室溫，消除了刀具因發(fā)熱而造成的磨損及零件因發(fā)熱而造成的變形。

表3 刀具切削用量推薦表

3.4 軸向錐度加工裝夾方法

軸向錐度面加工采用如圖2所示的夾具，通過φ8.2凸臺徑向定位，用螺紋緊固。因軸向錐度面加工時主軸為正轉(zhuǎn)，所以螺紋緊固時用手?jǐn)Q緊即可，主軸轉(zhuǎn)動后靠離心力可保證螺紋不松動。

圖2 薄壁柔性零件加工圖之二

3.5 測量方案

利用海克斯康三坐標(biāo)測量機進行測量，因采用紅寶石測頭進行測量，測量精度可達(dá)到微米級。該測量機測量時在零件表面產(chǎn)生的力僅為0.003 N，不會引起零件變形而造成報廢。

4 總結(jié)

通過以上工藝加工，零件的實物如圖3所示，經(jīng)三坐標(biāo)測量機測量，共測量5件，主要尺寸測量結(jié)果見表4。

圖3 實物圖

表4 三坐標(biāo)測量結(jié)果/mm

由測量結(jié)果可見，實測值均在公差范圍內(nèi)，說明在保證零件精度及質(zhì)量的情況下，此種加工工藝可行，加工過程中使用的工裝夾具簡單實用，加工出的零件尺寸精度和形位精度完全達(dá)到設(shè)計要求。在保證零件合格率的同時，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，取得了很大的經(jīng)濟效益。