鋁合金薄壁零件加工技術(shù)研究

周 兵

(中國工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621907)

0 引言

隨著加工技術(shù)的提升，越來越多的薄壁零部件應用到產(chǎn)品設計中。鋁合金由于其比重小，比強度高的優(yōu)點，廣泛應用于薄壁零部件中。薄壁結(jié)構(gòu)引發(fā)的一個重要問題就是剛性差，裝夾容易變形，難以保證零件的加工精度[1]。鋁合金薄壁零件加工主要面臨以下幾個問題：1)鋁合金材料熔點較低，在加工中如果出現(xiàn)冷卻不及時，容易在刀具上形成積屑瘤，改變刀具幾何參數(shù)和鋒利度，造成加工誤差；2)隨著材料的去除，材料內(nèi)部的殘余應力逐步釋放出來，加上在切削過程中的加工應力，有可能在加工完成后出現(xiàn)零件變形；3)薄壁結(jié)構(gòu)零件裝夾容易產(chǎn)生變形，應盡量采用低應力的裝夾方式。

1 鋁合金薄壁零件工藝分析

圖1 鋁合金薄壁零件圖

2 裝夾有限元分析

在車削直徑和粗車端面時，采用三爪卡盤裝夾。在線切割后，精車端面不適合采用三爪卡盤裝夾的方式，若采用三爪卡盤，工件在受三點徑向力后容易產(chǎn)生裝夾變形和裝夾痕跡，破壞工件表面，翻面后重新裝夾找正難以保證端面平行度。因此針對該工件，決定采用真空吸附的方式裝夾工件。

在該零件加工案例中，通過真空吸附端面固定工件。目前有兩種吸附方式，一種采用多孔吸附，一種采用環(huán)槽吸附。為了對比兩種吸附方式對工件變形的影響，通過有限元仿真能夠不必開展加工試驗而直觀反映工件的變形情況。

圖2 真空吸附方式

真空吸附力可采用式(1)計算：

F吸=P·S

(1)

式中，F(xiàn)吸為吸附力，P為壓強，S為接觸面積。

對比圖2中兩種吸附方式，其真空吸附力通過式(1)可得到，在真空壓力-0.08 MPa下，采用環(huán)槽吸附為345 N，采用多孔吸附為146 N。

采用有限元軟件分析兩種吸附方式下工件的變形情況，仿真時提取工件的應力與變形，結(jié)果如圖3。

圖3 真空吸附下工件變形仿真

通過仿真結(jié)果可以看出，采用環(huán)槽吸附方式下工件的最大變形量為2.27×10-9m；采用多孔吸附方式下工件的最大變形量為2.32×10-9m。兩種真空吸附方式下對工件的變形影響都很小，因此在本文中不考慮真空吸附對工件變形的影響。

3 切削力仿真計算

為了驗證采用環(huán)槽真空吸附方式能否滿足切削過程中的穩(wěn)定性要求，需要對車削過程中的切削力進行仿真計算。切削力仿真計算是切削加工研究的一種有效手段，通過建立的切削力模型可以方便的得到不同切削參數(shù)下對應的切削力。在工件材料、刀具一定條件下，根據(jù)經(jīng)驗，建立以切削深度ap、進給量f和切削速度v為主要因素的切削力模型：

(2)

式中：F為切削力，它在切向、徑向和進給方向的三個分量分別為Ft、Fr和Ff；x，y，z分別為切削深度ap、進給量f和切削速度v的影響系數(shù)；C為工件材料的系數(shù)。

在本文中，切削材料與切削條件同參考文獻[2]，故使用其系數(shù)進行計算。切向、徑向和進給方向的切削力模型公式為：

(3)

針對該零件，為了減小加工中切削力對零件變形的影響，切削過程中工藝參數(shù)為：ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r，v=70 m/min。帶入公式(3)中可以得到Fr=1.9365 N，F(xiàn)f=5.9428 N，F(xiàn)t=5.1155 N。

零件重量按照毛坯重量計算，毛坯尺寸為φ180 mm×4 mm，其重力為：

G=π×r2×h×ρ×g

(4)

式中,r為毛坯半徑，h為毛坯厚度，ρ為工件材料密度，g為重力常數(shù)。帶入數(shù)值計算得到重力為2.7 N。

在工件端面鉛垂面內(nèi)作用的為徑向、切向切削力和工件重力，其作用合力F合為：

(5)

帶入數(shù)值計算得到作用合力為8.14 N。

真空吸附力能提供的最大摩擦力F摩為：

F摩=μF吸

(6)

式中,μ為摩擦系數(shù)。帶入數(shù)值計算得到摩擦力為103.5 N。

根據(jù)經(jīng)驗，由于F摩>3F合，加工過程中由真空吸附力提供的摩擦力能夠滿足切削力的要求，因此加工過程是穩(wěn)定的。

4 試驗實例

在數(shù)控車床上進行實際加工試驗，裝夾方式選擇環(huán)槽吸附和三爪卡盤兩種方式，加工參數(shù)為：ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r，v=70 m/min。按照車削直徑—粗車A端面—線切割—粗車B端面—精車端面—精車凹面的工藝路線執(zhí)行，兩種方式下各加工5個工件。對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)槽吸附方式下的工件外圓直徑均為φ179.975或φ179.98，而三爪卡盤夾持下有2個工件外圓直徑低于φ179.965，其余外圓直徑也偏小。測量2組工件端面平面度發(fā)現(xiàn)，環(huán)槽吸附方式下的平面度明顯優(yōu)于三爪卡盤方式。因此，由于傳統(tǒng)三爪卡盤夾持加工過程更容易產(chǎn)生震顫，且對于薄壁零件存在較為明顯的變形情況，相比而言真空吸附方式車削過程更穩(wěn)定，加工零件精度更高。

5 結(jié)束語

本文針對鋁合金薄壁零件，仿真分析了兩種真空吸附方式下的工件變形情況，結(jié)果表明兩種吸附方式對零件變形影響很小。計算分析了加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在真空吸附下提供的摩擦力遠遠大于切削合力，能夠保證零件在加工過程中的穩(wěn)定性。最后在確定的加工參數(shù)下完成了零件加工。