超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工工藝

■西安北方光電科技防務(wù)有限公司 （陜西 710043） 王文仲 竇鑫紅 王 薇 劉 濤

超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工工藝

■西安北方光電科技防務(wù)有限公司 （陜西 710043） 王文仲 竇鑫紅 王 薇 劉 濤

摘要：針對超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過程易變形的問題，從材料、溫度、零件裝夾、過程控制及熱處理等環(huán)節(jié)進行分析，提出合理的工藝方案，采取有效、可靠的措施，尤其是設(shè)計和制造合理的車夾具，解決了殼體加工變形難題，滿足了產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)要求。

在機械制造業(yè)中，超硬鋁材料的密度為2.7g/cm3，屬于輕合金，比強度高、比模量高，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異。超硬鋁合金的外觀質(zhì)量好，具有良好的韌性及塑性，進行淬火、時效處理時可使合金強化，具有高強度、高耐磨性，高溫下變形小，成為國防建設(shè)中重要的結(jié)構(gòu)件。

超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過程中的變形一直困擾著技術(shù)人員及操作者。變形使此類工件廢品率及加工成本居高不下，而引起變形的原因又很多。

1. 殼體加工中存在的問題分析

如圖1所示的結(jié)構(gòu)為高精度薄壁殼體，材料為超硬鋁，孔徑和外圓尺寸都＞110mm，跳動為0.02～0.03mm，壁厚為2mm。

此類零件加工有3點難度：①如何控制超硬鋁材料自身的變形問題。②如何保證工件的加工尺寸精度及形位公差要求。③如何控制大直徑薄壁加工的變形問題。

目前影響工件加工質(zhì)量的因素主要有以下幾點：

（1）超硬鋁材料自身的影響。材料自身狀態(tài)會影響工件的加工質(zhì)量。在實際生產(chǎn)加工中發(fā)現(xiàn)，同種型號不同批次的材料對工件加工質(zhì)量會產(chǎn)生不同程度的影響。尤其是對于薄壁易變形工件來說，來料狀態(tài)的穩(wěn)定性很重要。如果材料自身不穩(wěn)定，就會在加工的各個階段逐漸釋放內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生變形，甚至?xí)⑦@種變形帶到產(chǎn)品的使用狀態(tài)中。

（2）溫度的影響。對于高精度薄壁工件來說，溫度對加工質(zhì)量的影響也是不可忽視的因素。尤其是在精加工階段壁很薄的時候，受溫度變化影響較大。這里的溫度變化包含加工后工件自身溫度變化和環(huán)境溫度變化，相比較前者對工件加工尺寸精度影響更大。實際加工中在精車階段，工件剛加工完測得φ130mm基準孔尺寸與放置24h后測得尺寸有差異，大致在0.02mm左右。此差異主要是由加工后工件的溫度變化引起的。試驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度變化10℃，φ130mm基準孔尺寸大約變化0.01mm左右。因此要將溫度變化的綜合因素考慮到工件加工和測量過程中去，以保證工件最終加工質(zhì)量。

圖1　超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

（3）工件裝夾的影響。因工件壁薄，在夾（壓）緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工

件的尺寸精度和形狀精度。加工過程中因裝夾不當(dāng)而造成的工件變形情況大致有以下幾類：①薄壁工件使用鋼爪裝夾，夾緊力過大，使零件產(chǎn)生三點變形，即零件回轉(zhuǎn)面上低點沿軸向呈三個帶狀區(qū)域分布，且三個區(qū)域大致成120°夾角。此類變形在剛結(jié)束加工時即可測出，且較難消除，若不采取特別措施，往往會影響整個后續(xù)加工過程。②加工中裝夾定位基準狀態(tài)不好，如定位面和壓緊面不平行，或壓板未處于自然狀態(tài)時壓緊等，均會造成工件變形。此類變形在剛結(jié)束加工時未明顯顯露，卸下工件測量變形量可能很小，但工件放置幾小時后變形量較大，放置24h后，變形量趨于穩(wěn)定。③裝夾時軸向壓緊力過大也會造成零件因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)力變形。

（4）加工過程的影響。在加工過程中導(dǎo)致工件變形的因素很多，常見的大致有：①因工件較薄，切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。②因工件結(jié)構(gòu)特點和加工部位限制，裝夾后零件懸伸長度較長，在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產(chǎn)生振動和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度等。③切削用量的選用。④加工流程和加工內(nèi)容的工藝安排也是影響零件加工變形的因素之一。如盡量減少精加工內(nèi)容和加工余量，精度要求不高的部位可安排在粗加工和半精加工階段完成等，均可對工件加工變形起到控制作用。

（5）熱處理變形。金屬零件在熱處理過程中不可避免地會產(chǎn)生變形。除了正常狀態(tài)的熱處理變形之外，同時要重點控制非正常狀態(tài)的熱處理變形。在工件實際熱處理過程中，發(fā)現(xiàn)因零件進爐時的擺放方式不同，對零件變形的影響也不同。因零件批量大，爐內(nèi)放置面積有限，為了保證生產(chǎn)進度，在熱處理過程中往往會將零件摞成兩到三層放置加熱。而最底層零件在加熱過程中始終處于受力狀態(tài)，經(jīng)熱處理后組織應(yīng)力不均往往變形最大，且在之后的加工過程中不斷有應(yīng)力釋放，造成加工狀態(tài)的不穩(wěn)定。

2. 殼體加工工藝方案

通過總結(jié)此類材料結(jié)構(gòu)件的實際加工經(jīng)驗，嘗試和進行許多對比切削試驗，編制滿足超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工精度要求的工藝方案為：鍛造毛坯→粗車毛坯→淬火熱處理→粗車→冷熱循環(huán)→半精車→時效去應(yīng)力→車定位和壓緊基準→精車內(nèi)部工序，留余量0.5mm→精車外部工序，留余量0.5mm→精車內(nèi)部工序→精車外部工序→低溫?zé)崽幚怼棥?/p>

加工流程分成粗加工、半精加工和精加工三個階段，并安排輔助加工基準工序。毛坯粗車后，進行淬火熱處理，使材料重新結(jié)晶，組織恢復(fù)平衡，硬度提高，滿足產(chǎn)品的強度需求。粗車后進行冷熱循環(huán)穩(wěn)定材料組織，控制半精加工過程中的變形量。半精車后再進行一次時效去應(yīng)力，消除切削過程產(chǎn)生的變形。最后精車后進行低溫?zé)崽幚?，進一步穩(wěn)定材料內(nèi)部組織和尺寸精度要求較高的部位，滿足產(chǎn)品裝配長期使用要求。

3. 加工過程中采取的具體措施

（1）控制超硬鋁材料自身的收縮量。由于工件結(jié)構(gòu)以及自身材料限制，在實際加工工件過程中自身變形量較大，往往車孔不能完全按圖樣要求公差尺寸大小控制，要摸索出具體零件材料的變形量。通過對此類超硬鋁高精度殼體長時間觀察、測量和摸索，基準孔φ130mm、φ115mm自身收縮量為0.015～0.020mm，因此實際加工和測量一定要考慮材料自身收縮量補償，這樣才能保證零件的加工質(zhì)量。

（2）機床的熱平衡。機床每天加工之前空轉(zhuǎn)30～60min，保證機床達到熱平衡，在此狀態(tài)下進行精車工序，零件加工質(zhì)量才能穩(wěn)定。

（3）優(yōu)化走刀路徑。車削孔φ130mm時，沿徑向孔圓柱度差。針對此現(xiàn)象，把精加工余量0.5mm分成兩道加工：第一次進刀去除0.3mm，停機松開壓板，把零件旋轉(zhuǎn)90°，旋緊壓板開機；第二次進刀去除0.2mm，消除第一次進刀加工部分圓柱度誤差。車孔φ115mm時，把精加工余量0.5mm分成三道加工：第一次進刀去除0.3mm，停機松開壓板；把零件旋轉(zhuǎn)90°，旋緊壓板開機；第二次進刀去除0.1mm，消除第一次進刀加工部分圓柱度誤差，停機倒換壓板，再完成外部加工內(nèi)容，停機倒換壓板；第三次進刀去除0.1mm，保證φ115mm完工尺寸要求。

（4）合理選擇切削參數(shù)，在有效保證工件加工精度的情況下，提高加工效率。根據(jù)經(jīng)

驗及加工實踐，精加工時切削轉(zhuǎn)速n=500r/min，進給量f=0.06～0.10mm/r，零件越薄進給量要越小，背吃刀量ap=0.05～0.10mm。車孔φ115mm、φ130mm切削用量為ap=0.05mm，f=0.1mm/r，n=500r/min，φ115mm、φ130mm孔圓柱度控制在0.01～0.03mm之間，控制零件變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）選擇切削液。采用濕加工降低切削區(qū)溫度，提高表面質(zhì)量，延長刀具壽命。一般應(yīng)選用極壓乳化液來冷卻，流量應(yīng)充足。充分使用切削液進行冷卻，防止零件熱變形，防止熱量集中。

（6）設(shè)計合理的夾具。如圖2所示，工件3（雙點劃線處）用外圓與臺階端面和夾具體4的孔與端面相配合定位，大螺母5通過螺紋與夾具體4聯(lián)接，內(nèi)端面壓緊工件外端面，對工件不產(chǎn)生徑向壓力，克服徑向力對工件產(chǎn)生變形。圓盤2通過螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過3個螺釘圓盤2與車床花盤聯(lián)接成整體。一次裝夾零件，將零件孔、內(nèi)端面一次加工而成，從而達到保證工件加工基準面的精度要求。

如圖3所示，工件5（雙點劃線處）用孔與大端面和夾具體4的外圓與端面相配合定位，壓板6通過螺釘與夾具體4聯(lián)接，端面壓在內(nèi)孔的端面上。大螺母3通過螺紋與夾具體4聯(lián)接，內(nèi)端面壓緊工件臺階端面，對工件不產(chǎn)生徑向壓力。圓盤2通過螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過3個螺釘圓盤2與車床花盤聯(lián)接成整體。

具體加工步驟為：①拆掉壓板6，旋緊大螺母3壓緊臺階端面，車端面及孔φ115mm（留余量0.2mm）。②停機拆掉大螺母3，把壓板6通過螺釘壓緊孔內(nèi)端面，車外圓、螺紋及錐度。③停機拆掉壓板6，把大螺母3使用螺紋與夾具體4聯(lián)接，并壓緊孔內(nèi)端面，車端面及孔φ115mm。這樣通過一次裝夾零件、倒換壓板的方式，將工件外圓、錐度、螺紋、孔及端面一次加工而成，從而達到保證工件的尺寸精度和形位公差要求。

圖2　精車殼體內(nèi)部工序使用的車夾具結(jié)構(gòu)

圖3　精車殼體外部工序使用的車夾具結(jié)構(gòu)

4. 結(jié)語

本工藝有效控制了工件的變形量，解決了此類工件的加工變形難題，滿足了產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)要求；實用性強，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1] 梁炳文. 機械加工工藝與竅門［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2] 王先逵. 機械加工工藝手冊［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3] 龔安定，蔡建國. 機床夾具設(shè)計原理［M］. 西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

專家點評

文章的創(chuàng)新性很好，薄壁套采用軸向壓緊的裝夾方法是加工工藝常識，但作者設(shè)計的工裝夾具能夠在工件的內(nèi)孔和外圓加工中均做到軸向壓緊，解決生產(chǎn)中的實際問題。

收稿日期：（20141008）