大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件車削加工

■天津航天長征火箭制造有限公司 （天津 300462） 高顯勝 周 揚(yáng) 李澤宇 王 龍

大型零件的特點(diǎn)不僅是尺寸大、質(zhì)量大，而且加工周期長、精度要求高。下面以鑄鋁零件扇形框的車削加工為例，從加工刀具、參數(shù)選取、測量方法及工藝路線等多個(gè)方面進(jìn)行分析，由此提出一種可實(shí)現(xiàn)大直徑非封閉圓薄壁鑄鋁合金產(chǎn)品加工的車削工藝方法。

1. 加工難點(diǎn)分析

1）零件材料是鑄鋁合金ZL104，車削時(shí)粘刀，車削后表面粗糙度值高。如圖1所示，零件尺寸較大，最大外圓直徑為（5 000±0.2）mm，不易測量。（說明：主視圖上“5°”為工藝加長部分，最后銑削去除。）

2）零件外形輪廓為1/4圓，車削時(shí)為斷續(xù)切削，車削過程中入刀和出刀會產(chǎn)生振動，同時(shí)零件兩端會有彈性讓刀，影響最后精車精度。另外，車削過程中鑄造內(nèi)應(yīng)力的釋放會引起工件變形。

3）零件為不規(guī)則薄壁件，在車內(nèi)孔、外圓時(shí)，因切削熱應(yīng)力，工件兩端會發(fā)生較明顯的向外或者向內(nèi)變形，使最終零件的幾何公差不易保證。零件形狀不規(guī)則，相對不好裝夾，車削工件最下面（平面度為0.2mm）時(shí)，需要做工裝。

綜上所述，扇形框零件加工難點(diǎn)主要為鑄鋁的斷續(xù)車削、尺寸的測量、工件的裝夾及防止或減小變形。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

2. 解決方案

鑄鋁的塑性好、粘性大，切屑和刀具表面摩擦力大，車削時(shí)容易造成鋁切屑粘刀。ZL104為Al-Si合金，耐磨性好，因此刀具要耐磨。粗車余量大，背吃刀量大，切削時(shí)間長，要求切削刀具鋒利，同時(shí)又要有較好的耐磨性和較高的加工效率。綜合考慮刀具的耐磨性和鋒利性，使用YG6X 硬質(zhì)合金車刀較好。精車時(shí)使用高速鋼（W6Mo5Gr4V2)車刀，切削更順暢輕快，減小切削力和切削熱，控制工件切削變形。同時(shí)這兩種刀具的抗振性能也比較好，能夠滿足斷續(xù)切削的要求。

（1）刀具幾何形狀、主要參數(shù)的確定 YG6X 粗車刀，主偏角根據(jù)車削位置不同分別取45°和90°。由于工件毛坯砂眼處的堅(jiān)硬物質(zhì)易使車刀崩刃，綜合考慮車刀的強(qiáng)度和鋒利性，前角取20°～ 25°，后角取6°～ 8°。這樣車刀鋒利，減小了切削力，又不易引起振動，同時(shí)又有較好的強(qiáng)度，并且前、后刀面刃磨得要盡量光滑。容屑槽寬15mm以上（盡可能寬大），接近開放式卷屑槽，這樣能夠減小切屑流出時(shí)的塑性變形，減小流動摩擦，使進(jìn)給力不會因?yàn)榍行嫉亩逊e、擠壓產(chǎn)生較大變化，而使切削不平穩(wěn)。刃傾角取大約－15°，目的是為了在斷續(xù)切削過程中，使刀具逐漸切入和切出，盡量減小因沖擊而引起的振動。

高速鋼精車刀，克服精加工變形，是保證幾何公差的關(guān)鍵。為了減少工件變形，盡可能減小徑向切削力和切削熱的產(chǎn)生，精車時(shí)盡量選用大前角、大后角及大主偏角。主偏角90°，前角取25°～ 28°，后角取10°。副偏角取15°，主要為減少副切削刃與工件之間摩擦產(chǎn)生的熱量。刃傾角取0°，以減小徑向切削力為主，因此不考慮切屑流向。盡管精車時(shí)吃刀量很小，但容屑槽仍開得較大，避免因排屑不順暢，切屑產(chǎn)生堆積。刀尖圓弧0.4mm左右，要大于進(jìn)給量，利于降低表面粗糙度值。前刀面盡量磨得光滑些，以減小刀具與切屑的摩擦。手工刃磨后，用油石鐾切削刃及刀尖圓弧，降低刀具切削部分的表面粗糙度值。

（2）切削用量的選擇 粗車時(shí)，切削速度取150m/min，吃刀量2～3mm，進(jìn)給量0.4mm/r ，并在工件表面涂抹機(jī)油，使切削順暢，但在切削熱的作用下，機(jī)油會冒煙并伴有刺鼻氣味，對空氣污染嚴(yán)重。后采用干車削，并加大切削速度至200m/min，利用產(chǎn)生的熱量使工件與刀具之間的切削層面處于微熔軟化狀態(tài)，以此減小切屑與前刀面之間的摩擦。起初切削還算穩(wěn)定，但是車削一段時(shí)間后，不僅前刀面上出現(xiàn)積屑瘤，而且在后刀面上積聚出很硬的鋁瘤，并牢牢地冷焊在后刀面上，使后角明顯變小，切削刃變鈍，切削抗力明顯增大。如果繼續(xù)增加切削速度，由于旋轉(zhuǎn)半徑較大，又為不對稱形狀，工件會產(chǎn)生很大的離心力。另外，切削熱太大不僅容易造成薄壁零件變形，而且斷續(xù)切削產(chǎn)生的沖擊明顯加大，于是車削時(shí)可以在工件表面刷乳化液，效果較好，但是費(fèi)力、麻煩。后來通過自制滴注乳化液的裝置，其原理與醫(yī)用打點(diǎn)滴的裝置類似，效果很好，既省力又干凈，優(yōu)化后的切削速度取180m/min，加工效率明顯提高。粗車時(shí)吃刀量不易太大，一般＜5mm，否則斷續(xù)切削沖擊力太大，切屑擠壓在容屑槽內(nèi)不易流出，增加進(jìn)給抗力。

由于精車時(shí)要盡量減少切削熱，所以各切削用量選得較低，切削速度取80m/min，吃刀量0.2～0.4mm，進(jìn)給量0.1～0.2mm/r。由于硅鑄鋁對高速鋼產(chǎn)生的磨粒磨損明顯，所以不適合高速車削。

（3）工裝 為實(shí)現(xiàn)工件在垂直方向的定位，立式車床裝夾時(shí)需要做4塊弧形墊塊（見圖2），材料HT200，中間留有起吊用的通孔，下面的方槽用來固定弧形墊塊?；⌒螇|塊用大平面磨床將兩面見光，做到高度一致，以保證定位精度。并且在固定弧形墊塊時(shí)，要先在工作臺面上水平推拉幾次，以保證下端面和工作臺面貼合嚴(yán)密，減小安裝誤差。墊塊通過壓板、螺栓及墊鐵等附件固定在工作臺上。安裝位置可以通過工作臺面的同心圓刻線與鋼板尺配合，很容易確定。固定后，用百分表檢查弧形墊塊上端面的圓跳動和平面度。在以后的生產(chǎn)中，為了工裝更合理，在弧形墊塊兩端面還開了幾道溝槽，利于貼合機(jī)床轉(zhuǎn)回臺面和工件表面。

（4） 測量測量零件φ5 000mm尺寸時(shí)，工件需在工作臺上加工完畢尚未移動時(shí)測量（見圖3）。先用內(nèi)測千分桿測出內(nèi)徑D1，再用卡尺測得壁厚尺寸H，這樣工件外徑為d1＝D1＋2H。由于是單件生產(chǎn)，需要加測量用對稱塊。對稱塊的位置、車削余量及材料要合適。該零件需加3個(gè)對稱塊，并且認(rèn)為對稱塊不發(fā)生變形。測得3個(gè)尺寸不一致，是由于工件變形引起的。在后來該產(chǎn)品的車削加工時(shí)，將2件扇形框零件一起車削，可對稱放置，方便了該測量方法的使用。

尺寸校驗(yàn)如圖4所示，已知工作臺外徑尺寸d（通過激光測量所得），借助車床X軸坐標(biāo)和百分表，測得工作臺外圓與工件外圓X軸坐標(biāo)差為t1－t2，可得工件外徑為 d1＝d－(t1－t2）。注意百分表一定要對準(zhǔn)車刀中心高，也就是直徑處，否則測得坐標(biāo)差值偏大，所得尺寸不準(zhǔn)確，即 |t1－t2|＜|t1－ t2|，這種方法測量準(zhǔn)確快捷。

（5）車削工藝路線 車削工藝路線按照下面幾個(gè)步驟進(jìn)行。

1）制定合理的工藝路線。粗車前的毛坯件經(jīng)過人工時(shí)效處理消除鑄造應(yīng)力。因生產(chǎn)要求比較急，第一次單件生產(chǎn)時(shí)只用了粗車→人工時(shí)效→精車工序。在精車時(shí)，盡管優(yōu)化了切削用量和車削路徑，在每次檢查內(nèi)、外圓變形量時(shí)，都超過了0.1mm，給最后幾何公差的保證帶來了不利影響。為減小應(yīng)力變形對加工最終尺寸的不利影響，提出工藝改進(jìn)，最后確定較合理的工藝安排為：粗車→人工時(shí)效→半精車→人工時(shí)效 →精車。

圖2 墊塊

圖3 工作臺上測量工件

圖4 尺寸校驗(yàn)

圖5 粗車示意

2）粗車（見圖5）。先以毛坯面為粗基準(zhǔn)，車出A面作為精基準(zhǔn)，再對整個(gè)零件粗車，這符合精基準(zhǔn)選擇原則。為降低定位面A的表面粗糙度值，最后一刀時(shí)，適當(dāng)降低切削用量，并在工件表面涂抹適量煤油與機(jī)油混合物，實(shí)踐證明效果較好。在以毛坯面定位時(shí)，毛坯面與床面間隙處要塞以銅皮，盡量消除大面積接觸不實(shí)，以防止振動。粗車時(shí)留工藝夾頭“G”，以方便裝夾。粗車后夾頭要去除，防止精車時(shí)因夾頭的去除增加應(yīng)力變形，給精車帶來更多困難。由于鑄件毛坯的表面很粗糙，車第一刀時(shí)為避免刀尖接觸其粗糙的表皮硬層，所以第一刀要合理加大切削深度。盡管是粗車，在粗車過程中也要經(jīng)常放松壓板，讓工件自由變形，釋放應(yīng)力，并應(yīng)多次調(diào)整壓板，以保證各面均勻留加工余量5 m m。鑄造殘余內(nèi)應(yīng)力，在粗車去掉大量材料后，零件會發(fā)生較明顯的變形。一般情況下，車內(nèi)圓時(shí)，工件兩端會向內(nèi)變形；車外圓時(shí)，工件兩端會向外變形，而切削熱應(yīng)力使工件變形的方向正好相反。如果單從這方面考慮，粗車時(shí)，切削熱應(yīng)力有利于抵消鑄造應(yīng)力引起的工件變形。由于粗車時(shí)夾緊力較大，工件會有軸向彈性變形，彈性回復(fù)后引起的誤差很小，會在以后的工序中得以補(bǔ)償。由于轉(zhuǎn)速較高，故單件生產(chǎn)時(shí)需加平衡塊，否則有可能影響機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度。

3）半精車。使用高速鋼，克服加工變形，是保證幾何公差的關(guān)鍵。利用弧形墊鐵，先將定位基準(zhǔn)面A車出，而后車出全部，各面均勻留2mm精車余量。半精車時(shí)可模擬精車加工，優(yōu)化出合理的加工路徑和切削用量，并檢測工件在不同車削條件下產(chǎn)生的變形量，為精車工序做參考準(zhǔn)備。加工路徑對加工過程中殘余應(yīng)力的分布趨勢產(chǎn)生作用，根據(jù)被加工材料盡可能對稱分布的道理，確定加工順序?yàn)椋篈 →D →B →F →C →E（見 圖5）。在檢查變形量時(shí)，用百分表壓工件一端，然后松開該端壓板，觀察變形方向及大小。在反復(fù)倒壓板的過程中，要先倒兩端，最后倒中間，防止工件在此過程中位置發(fā)生變動。為防止工件兩端在車刀出入時(shí)產(chǎn)生振動和彈性變形，在工件兩端增加輔助支撐，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。加工時(shí)，只要用壓板頭部抵在工件后面靠實(shí)即可。另外用銼刀在工件入刀、出刀處銼出45°倒角，可明顯減小入刀與出刀時(shí)的沖擊。

圖6 工件兩端增加支撐

4）精車。為了車后工件表面美觀，不宜用乳化液，因?yàn)橛煤蠊ぜ砻鏁兓?。另外，由于鑄鋁粘刀，容易產(chǎn)生積屑瘤，影響工件表面質(zhì)量，因此精車時(shí)在工件表面刷適量煤油與機(jī)油混合物，效果很理想。工件放在弧形墊鐵上時(shí)，盡量放平擺正，用塞尺檢查與弧形墊鐵貼合面有無微小縫隙，若有，用薄銅皮或者薄紙片塞實(shí)，再將工件四面用壓板頂住，車出定位面A，翻過來以A面定位車其他面。車削過程中吃刀量要逐刀減小，并且逐刀變換車削位置。各面車削順序原則：車一刀某面，第二刀盡量車這個(gè)面的對立面。例如，該零件車完一刀F面后，下一刀應(yīng)該車B面，其目的就是為了減小因變形而引起的誤差。車B面時(shí)（見圖7），壓在A面的壓板壓力要合適，既要固定住工件，又不能讓工件發(fā)生彈性變形，因此壓板壓力要用力矩扳手嚴(yán)格控制。實(shí)際工作時(shí)，依經(jīng)驗(yàn)靠手感控制力矩大小。在壓板與工件接觸面上墊以鋁塊，這樣既可以保護(hù)A表面不被壓傷，又可以增大受壓面積，防止工件因受壓發(fā)生彈性變形。

圖7 精車B面

5）觀察該零件并分析。圖5中C面與E面的根部R處，厚度相對較厚，該處在鑄造冷卻時(shí)應(yīng)該最慢，即使工件經(jīng)過去應(yīng)力時(shí)效，仍然會有殘余應(yīng)力，此面應(yīng)先車出，讓其釋放潛在的變形。另外，保證該零件幾何公差的關(guān)鍵是B面與A面，這兩個(gè)面最后車出比較合適。綜合以上因素，確定先精車工件的內(nèi)形面，并將F面一并車出，控制尺寸為φ（4 440±0.2）m m。A面留0.4 ～0.5mm，B面留0.3～0.4mm余量。以D面作為定位基準(zhǔn)，利用工裝，用壓板頂工件四面，車出A面；再用壓板輕壓A面，將B面車至尺寸。工件車削完畢后，工件兩端頭部直徑變化接近0.08mm，主要因?yàn)檫@兩個(gè)部位距離支撐較遠(yuǎn)，剛性差，車刀在出、入工件時(shí)，工件兩端有微量彈性變形，并且表面有振痕。解決辦法是兩端加長大概5°所對的弧長（見圖1），加工完成后銑削去除。

精車A面通常安排在下午進(jìn)行，其道理是機(jī)床通過上午的運(yùn)轉(zhuǎn)和工作，機(jī)床溫度與環(huán)形導(dǎo)軌油溫已趨穩(wěn)定，工作臺面穩(wěn)定。另外，精車進(jìn)給過程中不易再調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，因轉(zhuǎn)速的變化會引起導(dǎo)軌油膜厚度的變化，其對工作臺浮動也有影響。最后零件經(jīng)檢驗(yàn)員用激光跟蹤儀精密測量，達(dá)到了圖樣要求。

3. 結(jié)語

由最終測量結(jié)果得出，采用以上工藝路線和加工方法，選擇的刀具和切削參數(shù)，可以滿足設(shè)計(jì)圖樣尺寸的要求，解決了加工變形問題。該加工方法不僅提升了大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件制造技術(shù)水平，而且為以后加工類似零件積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。