鋁合金方形深孔的加工

申子文，馬遠(yuǎn)斌，張震，申明儉

1．新程（營口）精密設(shè)備有限公司 遼寧營口 115009

2．沈陽儀表科學(xué)研究院 遼寧沈陽 110043

關(guān)鍵字：擺動(dòng)沖刀；方形深孔；鋁合金

1 序言

方形孔的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在裝備制造業(yè)中有著不可替代的作用, 相對于圓孔而言，其加工難度大、效率低、費(fèi)用高，常用加工方法有線切割、電火花、成形拉刀切削、插削以及萊洛三角形銑削加工等。

線切割法與電火花法原理上均為電蝕加工，效率低、成本高且線切割需要手動(dòng)穿絲，存在加工定位誤差的問題。成形拉刀與插削法適用于鍵槽及厚壁孔加工，加工時(shí)產(chǎn)生的切削力較大，不適合加工薄壁孔件。萊洛三角形銑削加工法僅適用于正多邊形孔的加工，且加工后孔內(nèi)壁相交處不能清根，會(huì)殘留較小的圓角。

在某型號(hào)產(chǎn)品加工過程中，需要在工件圓周方向加工出60處28mm×16.5mm的方形通孔，公差為±0.1mm，通孔深度為60mm，要求表面粗糙度值Ra=3.2μm，材質(zhì)為AlSi7Mg鑄鋁合金，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)

2 傳統(tǒng)加工方案

結(jié)合常規(guī)加工方法及現(xiàn)有設(shè)備配置條件，采用線切割加工。加工前，在該工件各個(gè)方形孔的幾何中心處預(yù)鉆φ10mm圓孔，工件使用銷孔定位，逐個(gè)孔進(jìn)行手工穿絲，碰絲找正。裝夾找正均存在誤差，容易對各個(gè)孔的位置度造成較大偏差，且線切割完成后，內(nèi)表面形成氧化層，需鉗修去除，不易操作，加工時(shí)間長，效率低。

3 新工藝方案

針對以上問題，考慮鑄鋁合金材質(zhì)硬度相對較小，在銑削加工的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作可以清角的擺動(dòng)沖刀，配合機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向進(jìn)給，將R角沖削掉，以解決方孔的清角問題。加工方案如下。

1）在沖孔工序前，將60處28mm×16.5mm方形孔，使用φ10mm合金銑刀配合數(shù)控機(jī)床將其加工至圖樣尺寸，如圖2所示。

圖2 方形孔

2）使用擺動(dòng)沖刀，配合導(dǎo)向工裝，在鏜床上沖削掉R5mm圓角。

3.1 沖刀設(shè)計(jì)

沖刀為成形刀具，考慮工件材質(zhì)為鑄鋁合金，硬度較小，易于沖削，故選用W18Cr4V高速鋼為刀體材質(zhì)，刀體部分大致呈棱臺(tái)狀，刀尖處設(shè)有排屑傾角，沖刀前端尺寸為28mm×16.5mm，與方孔尺寸一致，如圖3所示。沖刀在加工過程中沿機(jī)床主軸軸線運(yùn)動(dòng)，以刀尖端幾何中心為頂點(diǎn)，2α為錐角，在主軸的帶動(dòng)下形成圓錐擺動(dòng)，4處刀尖間斷沖削方孔的4處R角，實(shí)現(xiàn)清角的目的。

圖3 沖刀

圖4 刀體擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.2 刀體擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀體擺動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)機(jī)床主軸帶動(dòng)偏心轉(zhuǎn)軸1及圓錐滾子軸承2轉(zhuǎn)動(dòng)并提供軸向推力時(shí)，魚眼軸承4帶動(dòng)沖刀8實(shí)現(xiàn)萬向擺動(dòng)并提供沖削力。為了防止沖刀在方孔內(nèi)扭轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)沖刀的后角與刀體按圓錐擺動(dòng)錐角角度的1/2相等，均為α，即在沖刀擺動(dòng)過程中刀體側(cè)面與方孔的側(cè)壁貼合，避免了刀體在擺動(dòng)過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。方孔在初始沖削時(shí)，在銑削后的方孔端面固定導(dǎo)向工裝7，以保證沖刀在初始沖削時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向與方孔一致，工件與導(dǎo)向工裝的定位如圖5所示。

圖5 工件與導(dǎo)向工裝的定位

沖刀設(shè)計(jì)要素見式（1），設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，擺動(dòng)沖刀如圖6所示。

式中，β為偏心距（mm）；L為刀尖中心至擺動(dòng)圓心距離（mm）；α為沖刀后角（°）。

表1 擺動(dòng)沖刀設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 擺動(dòng)沖刀

4 方案實(shí)施

配合彎板將工件和導(dǎo)向工裝固定好后，使用沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的TXP6113臥式鏜銑床進(jìn)行沖削，其主軸轉(zhuǎn)速100r/min，Z軸進(jìn)給量0.08mm/r。通過一次裝夾，完成60處方孔的沖削加工，工藝穩(wěn)定，加工合格率為100%，單孔加工時(shí)間＜10min，加工后成品如圖7、圖8所示。改進(jìn)工藝前、后加工工時(shí)及質(zhì)量效果對比見表2。

圖7 加工成品

圖8 加工成品細(xì)節(jié)

表2 改進(jìn)前、后對比

5 結(jié)束語

采用預(yù)銑孔與擺動(dòng)沖刀沖孔相結(jié)合的方法加工方形孔，實(shí)現(xiàn)了一次定位裝夾完成多孔加工，保證了各個(gè)孔的位置度要求，提高了生產(chǎn)效率。