薄壁鋁端管加工工藝改進(jìn)

夏春和,趙純穎

1沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司;2中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

飛機(jī)液壓系統(tǒng)中導(dǎo)管之間大多依靠活動(dòng)連接組件柔性連接,鋁端管是活動(dòng)連接組件中較為關(guān)鍵的分件。鋁端管一側(cè)密封連接在活動(dòng)連接組件內(nèi),一側(cè)與導(dǎo)管焊接固定。為保證連接的密封性,鋁端管外表面粗糙度要求比較高,達(dá)到Ra0.4。受設(shè)備性能、刀具種類及工藝水平的限制,一般鋁端管外表面粗糙度采用先車削去除表面冷拉硬皮,再用砂紙拋光來(lái)提高表面光潔度的加工方法,加工效率比較低,并且拋光過程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體健康有一定的影響。

2 鋁端管加工要求及存在的問題分析

鋁端管選用的材料為L(zhǎng)F6防銹鋁,結(jié)構(gòu)為帶四個(gè)方形限位槽的圓管薄壁件。鋁端管外徑尺寸為φ25d11mm,壁厚為1.5mm,長(zhǎng)度為60mm,外表面粗糙度為Ra0.4μm。鋁端管結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋁端管結(jié)構(gòu)

鋁端管加工工藝路線:成組下料—車工切制單件—沖壓方形槽孔—鉗工去毛刺—清洗—車外表面—鏜內(nèi)孔—砂紙拋光外表面—清洗—檢驗(yàn)—入庫(kù)。

鋁端管加工中存在的問題:①零件外表面粗糙度要求高,需要多次拋光,加工強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,且拋光過程粉塵多,不利于人體健康;②工藝流程分散,工序內(nèi)容簡(jiǎn)單,生產(chǎn)周轉(zhuǎn)次數(shù)多且準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。

產(chǎn)生上述問題的原因:①受設(shè)備轉(zhuǎn)速和刀具種類的限制,鋁端管外表面粗糙度很難直接以車削加工實(shí)現(xiàn),采用車削去除精管原材料表面冷拉硬皮,再通過砂紙拋光來(lái)提高光度。零件外表面粗糙度要求Ra0.4μm,拋光過程需要三次拋光(先使用240#砂紙粗拋,再使用500#和800#砂紙精拋)才能達(dá)到要求,加工效率較低且鋁端管生產(chǎn)數(shù)量較大,拋光后大量鋁粉末漂浮在空氣中,不利于人體健康;②為保證裝夾穩(wěn)定、增加零件剛性以及減少加工引起的變形,鋁端管車削外表面工序和拋光外表面工序均采用軸對(duì)頂?shù)难b夾方式加工。

受軸對(duì)頂裝夾方式的約束,鏜臺(tái)階孔工序需要單獨(dú)裝夾,造成加工工藝流程比較繁瑣、單個(gè)工序加工內(nèi)容比較簡(jiǎn)單,生產(chǎn)過程中需要更多的周轉(zhuǎn)次數(shù)和時(shí)間。另外,采用軸對(duì)頂裝夾方式,每次裝夾、拆卸零件都需要搖動(dòng)普通車床尾座頂尖,準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。軸對(duì)頂裝夾方式見圖2。

圖2 軸對(duì)頂裝夾方式

3 改進(jìn)措施

通過對(duì)存在的問題及其原因分析得出鋁端管加工問題集中在兩處:①更高效地加工零件外表面粗糙度的方法。②改進(jìn)現(xiàn)有裝夾方式,集中加工工序,提高加工效率,減少周轉(zhuǎn)和準(zhǔn)備時(shí)間。針對(duì)這兩個(gè)問題,提出以下改進(jìn)措施。

3.1 調(diào)整裝夾定位方式

鋁端管具有外壁薄以及剛性差等特點(diǎn),車削加工過程中極易產(chǎn)生變形,造成零件壁厚超差,生產(chǎn)過程中一般采用軸對(duì)頂?shù)难b夾方式來(lái)解決變形問題。通過兩側(cè)軸胎與零件內(nèi)孔小間隙配合撐起內(nèi)孔,提高零件剛性,減少加工中的變形。雖然軸對(duì)頂裝夾方式解決了零件加工質(zhì)量問題,但也產(chǎn)生了效率問題:工序內(nèi)容簡(jiǎn)單,工序分散,準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)這種情況,設(shè)計(jì)了一種新型的裝夾胎具——四瓣外脹結(jié)構(gòu)胎具。四瓣外脹胎具結(jié)構(gòu)見圖3,該胎具分為胎體、壓緊釘兩部分。

圖3 四瓣外脹胎具結(jié)構(gòu)

胎體是螺紋胎結(jié)構(gòu)形式,內(nèi)部型腔在內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又增設(shè)一個(gè)帶90°倒角過渡面的臺(tái)階孔。胎體外圓周上均勻開四個(gè)槽,形成一個(gè)四瓣結(jié)構(gòu)。受材料回彈變形影響,四瓣結(jié)構(gòu)向內(nèi)部回縮,胎體外徑會(huì)變小。壓緊釘是一個(gè)帶90°倒角過渡面的內(nèi)六方螺釘。壓緊釘與胎體螺紋連接,壓緊釘90°倒角過渡面與胎體內(nèi)腔90°倒角過渡面接觸后繼續(xù)擰緊壓緊釘,會(huì)迫使胎體四瓣結(jié)構(gòu)外脹,恢復(fù)到彈性變形前狀態(tài),并與零件內(nèi)孔緊密貼合,從而達(dá)到夾緊零件的目的。

經(jīng)過實(shí)際加工驗(yàn)證,采用這種四瓣外脹結(jié)構(gòu)胎具裝夾零件不僅裝夾穩(wěn)定可靠,而且可以間接提升鋁端管的剛性,減少變形;另外這種裝夾方式為后續(xù)分散工序集中加工提供了便利條件。

3.2 以車代拋工藝方法改進(jìn)

鋁端管采用硬質(zhì)合金刀具低速車削加工時(shí),切屑容易與刀具發(fā)生“膠焊”或黏連形成積屑瘤,加工表面質(zhì)量不理想,粗糙度僅能達(dá)到Ra0.8μm左右。為了獲得低粗糙度值的表面,采用砂紙拋光工藝。經(jīng)過三次拋光,外表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.4μm。但砂紙拋光仍存在加工效率低的問題。

隨著高性能、高精度數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用和性能優(yōu)異刀具的出現(xiàn),可以直接車削加工出低粗糙度值的表面。結(jié)合新的裝夾定位方式,鋁端管加工工藝流程方案優(yōu)化為:成組下料—車工切制單件—沖壓方形槽孔—鉗工去毛刺—清洗—粗車外表面、精車外表面、鏜內(nèi)孔—清洗—檢驗(yàn)—入庫(kù)。

工藝流程方案主要有以下兩點(diǎn)改進(jìn):①以車代拋,Ra0.4μm外表面直接車削加工,提高加工效率;②工序集成加工。工序數(shù)量由原來(lái)的11道工序縮減為現(xiàn)在的9道工序,將原來(lái)工藝流程中車外表面、鏜內(nèi)孔、拋光外表面等3道工序集成在1道工序加工,減少不必要的周轉(zhuǎn)。

3.3 刀具材料的選擇

鋁合金加工可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷和金剛石等。硬質(zhì)合金工具材料具有較高的硬度、抗彎強(qiáng)度和韌性、耐用度,是切削鋁合金的主要刀具材料。但在高速切削鋁合金時(shí),工件仍存在黏刀現(xiàn)象,容易形成積屑瘤,工件表面粗糙度不太理想,很難提升到Ra0.4μm,硬質(zhì)合金刀具適宜在表面光度要求不高的加工上;陶瓷刀具材料具有更高的硬度、耐磨性和耐高溫性,但是陶瓷材料比較脆,容易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致刀片破損,陶瓷刀具的缺點(diǎn)限制了它的使用范圍。另外,加工鋁合金不宜選用Al2O3基陶瓷刀具,鋁的化學(xué)親和力容易產(chǎn)生黏結(jié),造成摩擦阻力增大,加速磨損刀具;金剛石刀具材料是一種新型優(yōu)質(zhì)的刀具材料,具有硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱性好和摩擦系數(shù)小等特點(diǎn),加工中切削變形和切削力低,刀具磨損緩慢,切削過程更為穩(wěn)定,有利于降低表面粗糙度,高速車削時(shí)零件表面可達(dá)到鏡面效果,是目前車削鋁合金理想的刀具材料[1],但是缺點(diǎn)是切削深度不能太大,價(jià)格昂貴和成本高。

結(jié)合上述刀具特點(diǎn),鋁端管外表面加工采用硬質(zhì)合金刀具粗車、金剛石刀具精車的方法,替代傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具粗車、砂紙拋光的方法。其中硬質(zhì)合金刀具選用YG類材料,金剛石刀具選用聚晶金剛石(PCD)材料。

3.4 刀具參數(shù)的選擇

刀具幾何參數(shù)直接影響加工鋁合金薄壁零件的尺寸精度和表面粗糙度。外表面粗加工過程主要以去除材料為目的。鋁端管是薄壁結(jié)構(gòu)件,剛性較差,硬質(zhì)合金刀具的幾何參數(shù)不僅應(yīng)保證刀具鋒利且易于散熱,還要保證切削刃有一定的強(qiáng)度。因此,需要綜合權(quán)衡刀具的前、后角度數(shù)。通過車削試驗(yàn),最終選擇刀片參數(shù)為前角15°,后角8°,刀尖圓角R=0.2mm。

外表面精加工過程主要以降低表面粗糙度為目的,需要考慮金剛石刀具前角、后角、刀尖過渡圓角大小對(duì)加工表面粗糙度的影響。刀具前角影響切削的難易程度,而過大的刀具前角會(huì)降低刀尖強(qiáng)度。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),前角在-5°～10°范圍時(shí),隨著前角的增大,切削刃變得鋒利,工件的表面粗糙度逐漸變小。其中前角在-5°～0°變化時(shí),表面粗糙度變化明顯;前角在0°～10°變化時(shí),表面粗糙度變化趨勢(shì)減緩,前角取0°是一個(gè)比較適宜的度數(shù)。后角的主要作用是減小后刀面與已加工面間的摩擦,配合前角來(lái)調(diào)整切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度[2]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著刀具后角的增大,表面粗糙度先減小后增大。后角在8°左右,工件表面粗糙度較好。刀尖過渡圓角大小對(duì)表面粗糙度也比較重要,刀尖圓角對(duì)工件表面實(shí)現(xiàn)擠壓加工,從而可以形成比較好的外表質(zhì)量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著刀尖圓角半徑的增大,表面粗糙度逐漸減小。當(dāng)達(dá)到一定程度后,表面粗糙度變化不大。刀尖過渡圓角R=0.4mm是比較適宜的圓角。

3.5 工藝參數(shù)的選擇

影響零件表面質(zhì)量的工藝參數(shù)包括進(jìn)給量、切削速度和切削深度。

3.5.1 選擇外表面精加工進(jìn)給量

圖4為金剛石刀具車削理論輪廓。采用金剛石刀具切削時(shí),理論殘留面積高度計(jì)算式為[3]

圖4 金剛石刀具車削理論輪廓

Rth=f2/8R

式中,Rth為工件表面上形成的殘留面積高度,其值決定表面粗糙度的大小;f為刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量;R為金剛石刀具圓弧半徑。

根據(jù)上式可以看出,刀尖過渡圓角R一定的情況下,進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度影響較大。Rth與f成指數(shù)關(guān)系,當(dāng)進(jìn)給量f較小時(shí),殘留面積高度Rth低,可獲得較好的表面質(zhì)量。但當(dāng)進(jìn)給量f過小時(shí),加工中容易出現(xiàn)黏結(jié)和擠壓現(xiàn)象,表面粗糙度反而變大。所以,需要根據(jù)具體加工條件確定刀具實(shí)際的進(jìn)給量。通過車削試驗(yàn),進(jìn)給量選擇0.04mm/r。

3.5.2 選擇外表面精加工切削速度

隨著切削速度增大,切削刃對(duì)工件擠壓程度降低,切削力減小,表面粗糙度減小;當(dāng)切削速度增大到一定值時(shí),產(chǎn)生的摩擦熱不能及時(shí)向內(nèi)部傳導(dǎo),刀具磨損加快,導(dǎo)致表面粗糙度會(huì)有一定的增大。所以,切削速度存在一個(gè)理論適宜速度。通過車削試驗(yàn),主軸轉(zhuǎn)速選擇2500r/min。

3.5.3 選擇外表面精加工切削深度

切削深度越大,在已加工表面殘留面積高度也越大,表面粗糙度變大。所以,需要選用小切削深度進(jìn)行加工。由車削試驗(yàn)可知,切削深度選擇0.1mm。

4 實(shí)施效果

從鋁端管裝夾方式、Ra0.4μm外表面粗糙度加工工藝方法、刀具材料、刀具參數(shù)和工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),可以更高效地加工鋁端管零件外表面,改進(jìn)現(xiàn)有裝夾方式,集中加工分散工序,提高加工效率。

4.1 產(chǎn)品質(zhì)量

經(jīng)過測(cè)量,鋁端管外表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.2μm ～Ra0.3μm,金剛石刀具滿足車削加工鋁端管外表面Ra0.4μm的要求。車削過程如圖5所示,車削加工后的鋁端管如圖6所示。粗糙度檢測(cè)設(shè)備為T8000 R120-400,表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖5 車削過程

圖6 鋁端管

圖7 表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果

4.2 生產(chǎn)效率、生產(chǎn)周期及加工環(huán)境

改進(jìn)工藝流程后,由原來(lái)的11道工序縮減為9道工序,將原來(lái)工藝流程中3道工序內(nèi)容(車外表面——鏜內(nèi)孔——拋光外表面)集成在1道工序加工,加工時(shí)間由原來(lái)的6.2min降低到1.5min,周轉(zhuǎn)次數(shù)由3次減少為1次,并且新的工藝方法改善了加工環(huán)境,基本消除粉塵,避免了對(duì)工人身體健康的影響。實(shí)施效果對(duì)比見表1。

表1 實(shí)施效果對(duì)比(外表面、內(nèi)孔加工工序)

5 結(jié)語(yǔ)

薄壁鋁端管加工從調(diào)整裝夾方式、改變加工方法、合理選擇刀具材料、優(yōu)化刀具參數(shù)和工藝參數(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn),有效地解決了鋁端管加工過程中加工效率低、加工方式影響健康、工序流程分散、工序內(nèi)容簡(jiǎn)單、周轉(zhuǎn)次數(shù)多等問題,提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率,縮短了加工周期,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。