鋁板窄深槽加工工藝研究

劉兆輝,彭學(xué)勇,楊 樣,馮 波,姜 銘

(重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司,重慶 402760)

1 引 言

加工窄深槽的材料多采用硬質(zhì)鋁合金2A12-T4,該鋁板具有較高的強(qiáng)度,切削性能良好。加工內(nèi)容主要是在板狀毛坯件表面加工一定數(shù)量的窄深槽,其寬度1mm～3mm,深度1mm～5mm,尺寸精度0.1mm,平面度精度0.05mm,槽的總長(zhǎng)約為1m。窄深槽的加工在重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司是首次進(jìn)行,沒(méi)有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于加工方法、工藝路線、切削參數(shù)、刀具選用、夾具設(shè)計(jì)等都需要進(jìn)行分析、研究和試驗(yàn)。

本文用2A12-T4硬質(zhì)鋁合金作為工件材料,進(jìn)行310°C～350°C完全退火以改善切削性能。以窄深槽的寬度和深度等作為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)工藝方法、工藝路線、切削參數(shù)等方面研究窄深槽加工的穩(wěn)定性和可靠性,確保實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。

2 加工工藝分析

2.1 材料切削性能分析

毛坯主要采用的材料為2A12-T4硬質(zhì)鋁合金鋁棒,其抗拉強(qiáng)度大于或等于300MPa,伸長(zhǎng)率大于或等于15%,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 2A12-T4化學(xué)成分

從表中可以看出,Fe、Cu、Mn等金屬含量總量為1.0%～1.3%,保證材料具有一定的強(qiáng)度;鎂、鋁含量超過(guò)97%,這使得材料具有良好的切削性能。

2.2 加工刀具分析

2.2.1 刀具選擇

圖1 窄深槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 刀具材料及結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于刀具材料的選擇,雖然被加工材料為鋁合金,但由于刀具直徑小,受切削力的影響(受力示意圖見(jiàn)圖2),普通材料刀具無(wú)法滿足需求。以進(jìn)給量fz=0.03mm/r,切削深度az=0.2mm,切削速度vc=60m/min計(jì)算,此時(shí)刀具受到的切向力為Fz=258.2N,軸向力Fx=119.5N,徑向力Fy=39.6N,普通高速鋼刀具的硬度、耐磨性、耐熱性和韌性都無(wú)法滿足需求。而同等條件下硬質(zhì)合金刀具的硬度和紅硬性(在切削高溫下保持硬度的能力)更高,且硬質(zhì)合金刀具的高速切削速度可達(dá)普通高速鋼刀具的4倍以上。綜上所述,本文選擇硬質(zhì)合金刀具加工窄深槽。

圖2 銑削時(shí)刀具受力示意圖

刀具在銑削過(guò)程中,受到3個(gè)力的作用:軸向力Fx、徑向力Fy和切向力Fz(如圖2所示)。切向力Fz在刀具的切線方向,且與刀具的旋轉(zhuǎn)方向相反。刀具受到的切向阻力矩Tz=Fz·D/2,其消耗主要?jiǎng)恿?使刀具發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,甚至斷裂。Fx、Fy、Fz及Tz計(jì)算見(jiàn)式(1)-式(4):

Fx=e-2.11vc1.79fz0.543az0.20

(1)

Fy=e5.89vc0.226fz0.298az0.613

(2)

Fz=e11.3vc-0.521fz0.660az0.807

(3)

Tz=FzD/2

(4)

受徑向力的影響,刀具的長(zhǎng)度發(fā)生變化,這會(huì)引起徑向力矩的變化,且隨刀具長(zhǎng)度的增加而增大,見(jiàn)式(5)。

Ty=FyL

(5)

式中,Ty是徑向力矩,L是銑刀懸長(zhǎng)。

實(shí)際加工時(shí),刀具懸長(zhǎng)控制到最小,故刀具的切削刃長(zhǎng)度決定了刀具的受力大小和刀具壽命?？紤]被加工窄深槽的深度,刀具刃長(zhǎng)選擇3mm,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 加工設(shè)備選用

由于窄深槽的尺寸較小,受刀具直徑的影響較大,加工過(guò)程中刀具受力將影響設(shè)備的選擇。由式(3)可知,切向力Fz是關(guān)于切削速度vc的減函數(shù),Fz隨vc的增大而減小,同時(shí),力矩Tz隨之減小。因此,為減小切向力Fz,應(yīng)盡可能提高主軸轉(zhuǎn)速。

受槽尺寸、刀具尺寸及被加工材料加工速度影響,加工設(shè)備應(yīng)具備高轉(zhuǎn)速和高剛性。幾種鋁合金銑削推薦切削速度見(jiàn)表2。

本文涉及的被加工材料為鋁合金Mg系,根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》,推薦切削速度取40m/min,主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算如下:

N=1000vc/πD

式中,N為主軸轉(zhuǎn)速,vc為切削速度,π為圓周率,D為刀具直徑,取1mm。

根據(jù)公式,計(jì)算得到N=12738r/min。

因此,加工設(shè)備必須能提供大于12738r/min的主軸轉(zhuǎn)速,這對(duì)設(shè)備功率和剛性有較高的要求。按80%的載荷計(jì)算,設(shè)備的額定最高轉(zhuǎn)速不小于12738/80%=15922r/min。因此,本文選用設(shè)備為MCV860高速立式加工中心,該設(shè)備的轉(zhuǎn)速為0～20000r/min。

2.4 工藝路線分析

受加工方式和加工條件的影響,銑槽時(shí),工件平放在工作臺(tái)上,采用外力接觸式裝夾方式,工件受夾持力的影響會(huì)有一定程度的變形。變形越大,加工面的平面度變化越大,加工的窄深槽深度控制難度就越大,甚至無(wú)法保證深度。變形量隨毛坯板料的厚度增大而減小。因此,必須解決毛坯板料平面度問(wèn)題帶來(lái)的窄深槽深度不合格問(wèn)題。

對(duì)于薄板零件,變形是不可避免的,工藝研究的目的就是盡量將變形量控制在可接受的范圍內(nèi),或加工前盡量消除變形帶來(lái)的影響。

具體方法主要有:(1)采用人工時(shí)效、自然時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、增加工件厚度或多種方法相結(jié)合等方法消除殘余應(yīng)力,釋放變形,然后再進(jìn)行后續(xù)加工;(2)優(yōu)化裝夾方式,使工件受到盡量小的夾持力;(3)優(yōu)化切削參數(shù),減少加工過(guò)程中工件受到的切削力、熱應(yīng)力等帶來(lái)的影響。

窄深槽的功能是為后續(xù)工序的硅橡膠類材料裝填提供空間,該空間由窄深槽的寬度和深度決定。加工時(shí),刀具尺寸可保證窄深槽的寬度,而精確加工窄深槽的深度,其難度較大。如果窄深槽的深度不合格(或深或淺),將影響裝填質(zhì)量,從而影響后續(xù)裝配和功能實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)上述分析,保證裝填質(zhì)量的要點(diǎn)和重點(diǎn)就是窄深槽的實(shí)際寬度和深度,而毛坯板料自身的局部形狀變化的重要性并不突出。因此,本文的研究重點(diǎn)是如何保證窄深槽的實(shí)際深度。

基于上述分析,工藝上將采取以下方法:(1)增加毛坯板料厚度,減少夾持力的影響;(2)增加熱處理工序,改善切削性能并釋放應(yīng)力;(3)選用能提供12000r/min以上轉(zhuǎn)速的加工設(shè)備;(4)選用整體式硬質(zhì)合金立銑刀;(5)工藝路線優(yōu)化。

2.5 切削參數(shù)分析

從式(1)-式(3)可以看出,加工過(guò)程中,刀具的受力大小與切削速度vc、進(jìn)給量fz和切削深度az是函數(shù)關(guān)系。在切削速度vc一定的情況下,切削力與進(jìn)給量fz和切削深度az是遞增函數(shù)關(guān)系,即fz和az越大,或fz與az的乘積越大,刀具的受力就越大,刀具的壽命越低,尺寸穩(wěn)定性越差。另外,還應(yīng)綜合考慮加工的效率問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算,并經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化,最終選擇適合的切削參數(shù)如下:vc=40m/min(主軸轉(zhuǎn)速N=13000r/min),fz=0.15mm/r,az=0.05mm。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

(1)材料準(zhǔn)備。鋁棒2A12-T4,毛坯料尺寸φ330×35mm。

(2)刀具準(zhǔn)備。φ1mm硬質(zhì)合金銑刀,切削刃長(zhǎng)3mm(見(jiàn)圖3)。

(3)工裝準(zhǔn)備。銑槽夾具采用壓板式結(jié)構(gòu),如圖4所示,槽深測(cè)量采用插針對(duì)比式量具,見(jiàn)圖5,寬度量具用塞規(guī),見(jiàn)圖6。

圖4 夾具裝夾示意圖

圖5 深度量具示意圖

圖6 寬度量具示意圖

(4)工藝路線安排。下料(厚度35mm)→熱處理(完全退火)→粗車(chē)(形成工藝基準(zhǔn)等)→精車(chē)(加工出槽加工平面)→銑槽(加工窄深槽)→車(chē)厚度(環(huán)切保證鋁板厚度)。

(5)試驗(yàn)件數(shù)量:3件。

3.2 實(shí)施

3.2.1 完全退火

完全退火的目的是改善切削性能,釋放殘余應(yīng)力。

3.2.2 車(chē)平面

將φ330×35mm的材料加工成φ316×25mm的毛坯,如圖7所示。

圖7 毛坯示意圖

車(chē)平面的目的是為了加工出窄深槽的加工平面,并保證該平面的平面度不大于0.05mm,盡量減小平面度過(guò)大對(duì)窄深槽的深度造成影響。平面度越小,窄深槽的深度控制越有效,窄深槽深度的一致性越好,產(chǎn)品性能越穩(wěn)定。

車(chē)平面后的平面度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出,3件試驗(yàn)件窄深槽加工面的平面度均小于0.05mm,但平面度數(shù)值有一定的差異,極差為0.028mm,但仍滿足要求。

表3 平面度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.3 銑槽

圖8 裝夾找正示意圖

如圖8所示,百分表1所示位置為裝夾和基準(zhǔn)找正位置,該位置是窄深槽加工的工藝基準(zhǔn),裝夾時(shí)必須保證該百分表周向跳動(dòng)不大于0.02mm。百分表2的位置為窄深槽的整個(gè)加工平面,必須保證百分表的周向跳動(dòng)不大于0.05mm。切削參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 切削參數(shù)

加工完成后,對(duì)各試驗(yàn)件的窄深槽深度和寬度進(jìn)行了檢測(cè),每個(gè)尺寸實(shí)測(cè)10處,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5,槽寬尺寸分布情況見(jiàn)圖9,槽深尺寸分布情況見(jiàn)圖10。

圖9 槽寬尺寸分布情況

圖10 槽深尺寸分布情況

表5 窄深槽檢測(cè)結(jié)果及分析

從以上圖表可以看出,各尺寸雖然都在合格范圍內(nèi),但比較離散,槽寬尺寸極差0.07,槽深尺寸極差0.07。該現(xiàn)象屬于整個(gè)加工系統(tǒng)帶來(lái)的誤差,首先是槽加工前的板料平面度客觀存在的誤差會(huì)體現(xiàn)在槽深尺寸上,另外還有機(jī)床誤差和測(cè)量誤差等。

3.2.4 車(chē)厚度

銑槽完成后進(jìn)行厚度尺寸加工。為盡量避免夾持力對(duì)工件的影響,采用環(huán)切的方式裝夾,并完成加工。加工前、后示意圖見(jiàn)圖11,厚度尺寸見(jiàn)表6,尺寸分布如圖12所示。

圖11 加工前、后示意圖

圖12 厚度尺寸分布圖

表6 各工件厚度尺寸

從以上圖表可以看出,各尺寸都在合格范圍內(nèi),極差0.06,占尺寸公差帶寬度的60%,屬于正常波動(dòng)范圍,但仍有改善空間。

4 結(jié)果分析

加工完成后的窄深槽,其槽深和槽寬尺寸的實(shí)測(cè)結(jié)果均在合格范圍內(nèi),但同一件樣件的不同位置的尺寸及不同樣件的同一位置的尺寸均存在差異。

1號(hào)件和2號(hào)件槽寬不同部位極差0.06mm,3號(hào)件槽寬不同部位極差0.07mm;1號(hào)件槽深極差0.07mm,2號(hào)件槽深極差0.05mm,3號(hào)件槽深極差0.06mm。

數(shù)據(jù)反映出加工方式方法帶來(lái)的系統(tǒng)誤差主要來(lái)自于毛坯的平面度誤差、裝夾找正誤差及設(shè)備的精度誤差等綜合作用的結(jié)果,理論上是不可避免的,但可以通過(guò)優(yōu)化工藝方法及裝夾方式等減小各數(shù)據(jù)的離散性,提升尺寸的一致性。但基于目前的現(xiàn)狀,還不具備這種條件。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)窄深槽加工中的工藝分析和研究,得到了影響窄深槽尺寸的各項(xiàng)因素,并通過(guò)分析找到了相應(yīng)的控制措施。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)物檢測(cè),各檢測(cè)項(xiàng)目均滿足技術(shù)要求,具體措施如下:

(1)采用棒料加工出毛坯,確保窄深槽被加工面的平面度在0.05mm以內(nèi);

(2)選用φ1mm的硬質(zhì)合金立銑刀,切削刃長(zhǎng)3mm;

(3)選用能提供主軸轉(zhuǎn)速大于12000r/min的高速立式加工中心;

(4)銑槽參數(shù)選擇:vc=40m/min、fz=0.15mm/r、az=0.05mm;

(5)采用操作簡(jiǎn)單、使用方便、方法可靠的深度和寬度檢測(cè)方法。