鋁合金接收機基座的精密加工技術(shù)

陳錦華

鋁合金接收機基座的精密加工技術(shù)

陳錦華

（中國空空導(dǎo)彈研究院十三分廠，河南洛陽471009）

結(jié)合鋁合金薄壁深腔類接收機基座的材料特性與結(jié)構(gòu)特點，分析了其在切削加工過程產(chǎn)生變形的影響因素。從工藝設(shè)計、余量設(shè)置、工件剛度、裝夾方式、切削刀具、切削液等方面著手分析，提出了合理控制加工變形的方法。對工件關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，得到了較為有效的解決措施，提高了工件的加工質(zhì)量及加工效率。

鋁合金；薄壁深腔件；變形；剛度；措施

如圖1所示的接收機基座，屬精密鋁合金薄壁深腔件，形狀精度與表面質(zhì)量要求高，而其結(jié)構(gòu)剛度弱，切削加工變形嚴(yán)重，高精度形狀特征不易保證。為了提高該工件的加工質(zhì)量與加工效率，本文結(jié)合其材料特性與結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了工藝研究，探索了有效解決加工變形的工藝方案及技術(shù)措施。

圖1 接收機基座結(jié)構(gòu)圖

1 工藝性分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

接收機基座結(jié)構(gòu)如圖1所示，外形尺寸為L1×K1×H1（長×寬×高），深腔尺寸為L2×K2×H2，最小壁厚為1.5mm，屬于典型的薄壁深腔結(jié)構(gòu)件；工件的加工要素包含有深型腔、深側(cè)面、凹槽、流膠窗口、光孔及沉孔系，以及螺紋孔系等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而作為引信光學(xué)接收系統(tǒng)的安裝基準(zhǔn)座，其形狀精度與表面質(zhì)量要求高：基準(zhǔn)A面的平面度為0.01mm，C面的平面度為0.03 mm，E面相對于A面的平行度為0.025 mm，深腔兩側(cè)面相對于C面的垂直度為0.06mm，兩深側(cè)面相對于A面的垂直度為0.05mm，相對于基準(zhǔn)B的對稱度為0.05 mm，光孔及螺紋孔相對于基準(zhǔn)A、B、C的位置度為φ0.2 mm，而表面粗糙度要求為Ra0.8 mm（A面）、Ra1.6 mm（C面）。

1.2 鋁合金材料性能分析[1]

（1）鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強，在切削過程切屑不易分離，易粘附在刀具刃尖上形成積屑瘤，既損害刀具耐用度，又影響表面加工精度。

（2）鋁的線脹系數(shù)為0.0000238，是鋼的線脹系數(shù)（0.00001）的2.38倍，在切削過程熱變形大，影響加工精度。

（3）鋁合金的彈性模量低、剛度差，加工變形大，且加工后易產(chǎn)生大的彈性恢復(fù)，嚴(yán)重影響尺寸精度與表面質(zhì)量。

（4）鋁合金硬度偏低，在加工、裝卸、轉(zhuǎn)運過程極易劃傷、磕碰傷工件已加工表面，表面粗糙度與外觀質(zhì)量要求指標(biāo)難于保證。

2 影響工件加工變形的不利因素

接收機基座的工件材料與結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其自身的剛度弱，強度低，切削過程易受切削力、切削熱、裝夾應(yīng)力和殘余應(yīng)力等因素的影響而產(chǎn)生加工變形。在加工過程中，影響該工件加工變形的因素有很多，具體因素如圖2所示[2]。

圖2 影響工件加工變形的主要因素

3 工藝設(shè)計及余量設(shè)置

3.1 工藝方案設(shè)計

接收機基座毛坯材質(zhì)為LY12鋁板，毛坯重量0.157 kg，整體切削成型后工件重量約為0.025 kg，材料去除率高達(dá)84%，加工變形嚴(yán)重。因此，在工藝設(shè)計時，應(yīng)合理劃分加工階段及安排熱處理工序以控制，減小工件的加工變形。結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，工藝方案設(shè)計為“先粗后精，先輪廓后腔體”；工藝路線安排為：粗加工→高低溫時效（去除內(nèi)應(yīng)力）→半精加工→高低溫時效（去除內(nèi)應(yīng)力）→精加工；各結(jié)構(gòu)要素精加工順序安排為：基準(zhǔn)座輪廓→基準(zhǔn)A面→深腔體、兩深側(cè)壁、凹槽、光孔及沉孔系、螺紋孔系底孔（為保證高位置精度，集中在一次裝夾下完成）→螺紋孔→流膠窗口→深腔清根。

3.2 加工余量設(shè)置

由接收機基座結(jié)構(gòu)特點，得知其加工余量主要通過銑削加工完成，銑削過程的變形是影響加工質(zhì)量的主要問題。粗銑為去余量工序，為了充分釋放毛坯初始應(yīng)力及提高生產(chǎn)效率，應(yīng)根據(jù)工件的剛度與變形情況，盡可能多的去除各結(jié)構(gòu)要素的加工余量；半精銑為消除粗銑變形和修復(fù)精銑基準(zhǔn)工序，對于易變形鋁件，加工余量不宜過大，預(yù)留單邊余量為0.4 mm～0.6 mm；精銑為保證設(shè)計圖樣尺寸精度、形位精度及表面質(zhì)量工序，對于易變形精密件，精加工變形對于加工精度的影響極大，余量應(yīng)盡可能小，預(yù)留單邊余量為0.15 mm～0.3 mm.對于半精銑、精銑，底面余量應(yīng)取較小值，而側(cè)壁取較大值。

4 控制加工變形的技術(shù)措施

4.1 均勻去除毛坯余量

為了減小毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放與重新分布對加工變形的影響，在去除毛坯余量的粗銑過程，應(yīng)盡可能均勻去除毛坯余量。粗銑時選用層切法加工，以保證均勻去除余量，減小加工變形。另外，粗銑時先對稱分層銑削兩深側(cè)壁，然后再使用層切法銑削深腔體與凹槽，可減少加工變形，因為在深腔體成型前銑削兩深側(cè)壁，可以提高工件剛度，抑制加工變形。

4.2 提高工藝系統(tǒng)剛度

接收機基座屬鋁合金薄壁件，銑削過程中提高其工藝系統(tǒng)剛度極其重要，可以有效減小工件的加工變形。工藝系統(tǒng)剛度與機床、夾具、刀具、工件等剛度密切相關(guān)，為了提高工藝系統(tǒng)剛度，銑削時機床選擇了剛度強的立式加工中心VTC-160AN；粗銑時夾具選擇了虎鉗，而半精銑、精銑時夾具選擇了軟鉗口；刀具選擇了強度較高的硬質(zhì)合金銑刀。

4.3 合理選擇工件的裝夾方式

合理的裝夾方式，可以有效控制裝夾變形，減小加工變形。粗銑階段，工件剛度較強，且切削力較大，宜選擇虎鉗夾持方式加工；半精銑、精銑時采用軟鉗口夾持，以達(dá)到減小、均化夾持力，減少裝夾變形的效果。

4.4 合理選擇刀具材料

因鋁合金具有切削不易分離、刀刃易產(chǎn)生積屑瘤等特點，要求刀具應(yīng)具備足夠的強度、韌性和高耐磨性。而工件尺寸精度與表面質(zhì)量要求較高，且壁薄易變形，要求刀具切削刃具有良好的鋒銳性。因此，可選用具有硬度、強度、韌性均高、耐磨性好以及刃口鋒銳的硬質(zhì)合金刀具。為提高加工效率，粗加工階段選用沖擊韌性較高[3]，可承受大吃刀量的YG8刀具。為保證加工表面質(zhì)量，在精加工階段選用抗粘結(jié)性、抗氧化性較好的YG3刀具。

4.5 合理選擇切削液

接收機基座屬薄壁深腔件，熱容量較小，極易在切削熱的作用下產(chǎn)生變形，導(dǎo)致高精度尺寸超差。因此，宜選用冷卻效果好的水基乳化液作為切削液，并連續(xù)充分澆注。在實際加工中，選用2號乳化油加水稀釋成乳化液作為切削液。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 高精密平面加工技術(shù)

如圖1所示，基準(zhǔn)A面為工件裝配基準(zhǔn)面，其輪廓尺寸為L1×K1，平面度為0.01 mm，表面質(zhì)量為Ra0.8，屬于高精密平面要素，加工難度大。由于該工件材質(zhì)為LY12鋁材，無法采用平面精密磨削方案加工該平面，而采用中、低速銑削方案加工該平面時，其平面度與表面質(zhì)量的要求不易保證。實際加工中，經(jīng)過反復(fù)工藝試驗，最終選用了“先銑削后研磨”的加工方案。其中平面精銑是去除精加工余量，以及為后續(xù)研磨工序提供高平面度與表面質(zhì)量基準(zhǔn)平面的工序，而研磨是保證平面加工精度的手段。平面精銑時，為了減小切削力、抑制切削變形，刀具選擇直徑為φ6的圓柱端面銑刀，銑削方式選擇為順銑，且選擇較高的切削速度，較小的進(jìn)給量。

平面精銑后，采用研磨方式以保證該平面的平面度和表面質(zhì)量。受制于分廠無研磨機設(shè)備，研磨該平面時選用了手工研磨方式。在研磨時，考慮工件材料的特性，選用粒度較小的磨料，研磨粒度為F360；因工件易變形，研磨時對工件施加的壓力應(yīng)盡可能小，約為15～25 N，且盡可能保持施力均勻；研磨軌跡盡可能選擇O型或W型。

5.2 易變形深腔加工技術(shù)

深腔結(jié)構(gòu)要素材料去除率高，加工變形嚴(yán)重，而受工件使用功能的限制，深腔底面對于基準(zhǔn)A面的平行度要求為0.025 mm，加工精度高，加工難度大。結(jié)合工件結(jié)構(gòu)特點與高的形位公差要求，在深腔精銑時安排在一次裝夾下完成深腔、兩深側(cè)面以及孔、沉孔系的加工。在深腔精銑過程，如何控制、減小加工變形是解決問題的關(guān)鍵。實際加工過程中，為了控制裝夾變形，采用了軟鉗口夾持方式，以提高裝夾精度，減小、均化夾持力，減小裝夾變形。為了減小切削變形，采用了小切深、小進(jìn)給、分層切削的走刀模式，且選擇了較高的轉(zhuǎn)速，以降低切削力，另外充分澆注冷卻液，可使工藝系統(tǒng)散熱迅速。

5.3 流膠窗口加工技術(shù)

受工件結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)的切削加工難于實現(xiàn)兩處流腔窗口（3×4）的加工，在工藝設(shè)計時選用了電火花線切割的加工方式。粗加工階段，先在正確的位置通過銑削方式制作穿絲孔φ1.5 mm；在深腔精銑成型流膠口基準(zhǔn)面后，再用電火花線切割加工兩處流膠口。受工件鋁材質(zhì)不受導(dǎo)磁性的影響，裝夾難度增大，為此設(shè)計了線切割夾具，夾具如圖3所示。夾具的E、F面及寬度尺寸K2為定位基準(zhǔn)，而兩處圓弧R4.5±0.5 mm的作用是避讓工件型腔轉(zhuǎn)圓弧，防止裝夾干涉。為了實現(xiàn)工件快速緊固與拆卸，夾具基體選用具有導(dǎo)磁特性的材質(zhì)30CrMnSiA鋼板。裝夾時通過深腔寬度定位將工件“倒扣”至夾具上，然后放置磁鐵塊至工件表面上，通過磁鐵塊與夾具基體之間的磁吸力起到固定工件的作用。

圖3 線切割夾具圖

6 結(jié)束語

接收機基座首批采用此工藝技術(shù)進(jìn)行加工，多數(shù)零件的尺寸精度、表面質(zhì)量及技術(shù)條件均滿足設(shè)計圖樣的要求，合格率達(dá)96%，直接驗證了此工藝技術(shù)的可行性，同時說明了此工藝技術(shù)對于解決鋁合金薄壁深腔件的加工變形問題是有效的。通過對接收機基座零件的加工及現(xiàn)場情況分析處理，對精密鋁合金薄壁深腔件的加工有了比較深入的了解，積累了一定的經(jīng)驗，可以為類似薄壁深腔件的加工提供借鑒。

[1]常永珍.鋁合金薄壁零件的機械加工工藝探討[J].山西焦煤科技，2004(11)：30，32.

[2]王金鳳.薄壁鋁合金件的高速切削工藝研究[J].制造技術(shù)與機床，2006(10)：21-23.

[3]黃鶴汀，吳善元.機械制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

Precision Machining Technology of Alum inum Alloy Receiver Base

CHEN Jin-hua
（Thirteen Branch of China Air to Air Missile Research Institute，Luoyang Heinan 471009，China）

Based on the material properties and structural characteristics of aluminum alloy thin wall and deep cavity receiver base，analyses the influence factors of deformation in machining process，from the aspects of process design，margin setting,the rigidity of workpiece，fixture，cutting tools and cutting fluid to analysis，put forward the reasonable control method of deformation processing，the key technology of workpiece was analyzed，the effective measures to improve the machining quality and the machining efficiency of workpiece.

aluminum alloy；thin-walled cavity；deformation；stiffness

TH 162

A

1672-545X（2017）02-0111-03

2016-11-24

陳錦華（1990-），男，山東曹縣人，本科，助理工程師，研究方向為機械加工。