加工中心鋁合金泵體復(fù)雜孔系加工工藝研究

楊金鳳，冷真龍，胡兆國，杜雪鋒

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，四川德陽 618000;2.德陽市天和機械責(zé)任有限公司，四川德陽 618000)

由于鑄造鋁合金質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)小、高溫和室溫力學(xué)性能均較好、鑄造和切削加工性能好，在汽車零件中得到廣泛應(yīng)用［1－2］。隨著汽車輕量化的發(fā)展趨勢，鋁合金還會越來越多地用于制造汽車零件。箱體零件是重要的汽車零件，如泵體、曲軸箱等。文中研究的鋁合金泵體毛坯為典型的壓鑄件，是汽車發(fā)動機的一個重要零件，工件材料為ZL107，固溶處理后人工時效狀態(tài)，硬度范圍HB90～115。該零件形狀復(fù)雜，加工精度高，壁薄、強度低，在切削力和夾緊力的作用下容易變形?？紫档募庸すに囈恢笔瞧嚤皿w研制生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的孔系加工工藝方法很難保證技術(shù)要求和加工效率。為此，針對工藝方案、工藝裝備和工藝參數(shù)等進(jìn)行技術(shù)研究是十分必要的。

1 零件技術(shù)要求

汽車鋁合金零件孔系加工工序簡圖如圖1所示，從零件結(jié)構(gòu)分析，主要有分布在4個表面的3組不同直徑孔和臺階孔組成的孔系，包括mm及同軸的各孔、mm及同軸的各孔、φ及同軸的各孔。從零件精度分析，尺寸精度、表面粗糙度和位置精度的要求都較高。特別是6mm孔，精度等級為IT7，孔與孔之間的壁厚僅3 mm，各孔之間的位置精度小于0.01 mm，孔深達(dá)136 mm。

圖1 汽車鋁合金零件孔系加工工序簡圖

2 孔系的加工工藝方案

加工中心上孔的加工方法除了有普通加工常用的鉆、擴、鏜、鉸、攻螺紋等方法外，還有一個使用非常方便的功能是利用加工中心的三軸聯(lián)動功能用立銑刀直接銑孔。其中，鉆孔的經(jīng)濟(jì)精度為IT13～I(xiàn)T11，一般用于粗加工;擴孔鉆的導(dǎo)向性和剛性都比麻花鉆好，經(jīng)濟(jì)精度為IT10～I(xiàn)T9;鉸孔精度IT8～I(xiàn)T7，表面粗糙度好，是小孔精加工常用的方法;而鏜孔和銑孔適合于較大尺寸孔的粗、精加工。

在加工中心上鏜孔時，實質(zhì)上是機床的一個點位控制，機床數(shù)控系統(tǒng)僅控制動作過程，并不控制孔的精度，而孔的尺寸精度和形狀精度只與鏜刀的調(diào)整和機床主軸的回轉(zhuǎn)精度有關(guān)。因此，加工中心的數(shù)控系統(tǒng)插補精度對鏜孔的尺寸和形狀精度影響不大。

在加工中心上銑孔時，旋轉(zhuǎn)的立銑刀繞Z軸作螺旋進(jìn)給運動，在一次工作行程中銑出所需大小的孔，在無需換刀的情況下一次工作行程就可完成加工任務(wù)，從而大大簡化了加工工藝流程，節(jié)約了加工工時。由于這種圓周銑削工藝具有加工效率高、工藝使用范圍廣、操作方便等優(yōu)點，使得這種圓周銑削工藝在機械制造行業(yè)中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。但是，由于銑孔時孔的精度直接受加工中心數(shù)控系統(tǒng)插補精度的影響，對于不同的加工中心，銑孔的圓柱度誤差也不同。無論是采用哪一種刀具進(jìn)行銑孔，加工孔的表面粗糙度與刀具的精度以及所選的切削參數(shù)都有直接的關(guān)系［3－6］。如圖1所示泵體上要加工的孔都鑄造有毛坯孔，在加工中心上可用鏜孔和銑孔兩種方法完成，鏜孔加工作為一種高精度加工方法往往被使用在最后的工序上。因此，該泵體零件的加工中心工藝流程為:壓鑄→固溶處理→專機加工→加工中心加工→檢驗。專機主要用于加工平面和精度要求不高的孔，而重要的孔都在加工中心上完成，其孔加工工藝方案主要有以下3個:(1)粗銑→精銑;(2)銑→精鏜;(3)粗鏜→半精鏜→精鏜，原則上如果能夠銑孔達(dá)到精加工技術(shù)要求，就不選擇鏜孔。針對各孔的特點和精度要求，作者在該工序所用的加工中心上進(jìn)行了一系列工藝試驗后，確定各孔的CNC加工工藝方案見表1。

表1 各孔的CNC加工工藝方案

3 加工中心工藝試驗

比較圖2和圖3試驗結(jié)果，在深度2.5 mm處測得孔在Y方向的尺寸與X方向的尺寸誤差為0.12 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出mm的技術(shù)要求，而鏜孔在相同部位的尺寸誤差為0.005 mm，滿足加工要求;另外，鏜孔的錐度也比銑孔小，表面粗糙度Ra能達(dá)到1.6μm。所以，各孔的精加工用精鏜加工，而粗加工在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量選擇銑削以提高效率。

表2 CNC試驗條件、工藝參數(shù)和表面粗糙度

圖2 精銑實測尺寸變化

圖3 精鏜實測尺寸變化

4 保證孔系加工精度應(yīng)注意的問題

為了保證孔系加工的精度要求，除了各孔要按表1的工藝方案進(jìn)行加工之外，在以下幾個方面還要特別注意:

(1)工件的定位。要求在加工中心上一次裝夾完成各孔的精加工，避免了重復(fù)定位誤差對加工精度的影響，定位精基準(zhǔn)的選擇如圖1所示。主要定位精基準(zhǔn)選J－Ⅰ面，限制工件3個自由度;次要基準(zhǔn)分別是下端面和右側(cè)面，下端面限制2個自由度，與尺寸(45±0.06)mm的設(shè)計基準(zhǔn)重合［7］。

(2)夾緊力的大小、作用點和位置。夾緊力的方向和作用點如圖1所示，指向主要定位面，作用在剛性好的部位，應(yīng)用氣動夾緊，保證了夾緊力的穩(wěn)定可靠［6－7］。

(3)加工順序的安排。按照先粗后精的原則，將各孔粗加工和半精加工后再精加工?？着c孔之間的位置精度主要由加工中心的重復(fù)定位精度保證，由數(shù)控系統(tǒng)來完成位移的測量、控制和補償［8－9］。但在安排加工順序時，特別要注意把有孔距精度要求的各孔緊緊連在一起，以減少坐標(biāo)尺寸累計誤差對孔距精度的影響，如孔mm的加工順序應(yīng)從左到右依次完成。

5 結(jié)束語

對加工中心汽車泵體零件孔系的加工要求進(jìn)行了分析，針對該零件的結(jié)構(gòu)特點，在生產(chǎn)設(shè)備和工藝條件相似的條件下進(jìn)行了工藝試驗，根據(jù)工藝試驗的結(jié)果選擇了合理的工藝方案。指出保證孔系加工精度應(yīng)注意定位基準(zhǔn)的選擇、加工順序的安排等幾個問題。這樣不僅使加工精度和表面粗糙度穩(wěn)定，而且提高了生產(chǎn)率，在加工中心上一次裝夾完成所有孔的加工，克服了多次定位引起的定位誤差，實際生產(chǎn)使用表明效果很好。這一研究成果在批量生產(chǎn)鋁合金箱體類零件中，在提高質(zhì)量、提高效率和降低成本方面具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

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