薄壁铝合金衬套类零件的加工方法 |
| 2013-03-31 21:57 作者：苏 健 苏 宁 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，随着发动机的发展要求，迫切需要材料节省、紧凑结构、轻质量等特点的部件，在汽车等行业中，薄壁铝合金衬套类零件成为最优选择。但因为其力学性能差、自由状态下变形量大，在加工中受力状态和自由状态下应变量相差较大，迫使验收标准往往以自由状态下的形位公差和尺寸公差为检查标准。因此如何提高产品的加工精度成为急需解决的问题。
关键词：应力；应变；铝合金
1零件的加工问题
为了解决加工产品的质量问题，本文从一个薄壁标准和三个方面来看：
1.1薄壁标准
在薄壁标准中规定，对于薄壁零件的非配合尺寸在受力装配情况下能够恢复零件设计图要求值并满足装配要求时，允许多截面平均值法进行测量。
这就说明了薄壁零件的变形问题是较难避免的，我们对其应变量大的问题持默认态度，但是有严格的要求，1）非配合尺寸；2）满足装配。这就使该标准形同虚设，使用行标并不能很好的解决变形问题，是治标不治本！
1.2弹性变形
在三爪卡盘卡爪应力的装夹下的铝合金零件，发生较大的弹性变形，工件的尺寸公差和形位公差偏离预期目标，不满足交付要求。
1.3切削温度
铝镁合金零件在切削时，类似断屑加工，切屑呈片状，刀尖和工件产生的热量不能及时被铁屑带走，在零件表面产生极大的切削热，使工件发生高温变形。
1.4背吃刀力
薄壁件一般壁厚仅3-5mm，有些甚至只有1mm以下，内孔为中空形式，在车刀背吃刀力的径向作用下，由于工件共振和谐振，严重影响铝合金零件的设计图尺寸和光洁度等要素。
我们通常倾向于数控方法对铝合金薄壁工件进行加工交付，本文着重针对对于以上所说的三大应变主要因素对数控刀片选择、零件的夹持、走刀路线及切削三要素等方面进行论证，保证产品质量，降低应变风险。
2零件的夹持方式
零件的夹持是否合理直接影响到加工质量的好坏，首先我们以薄壁铝合金衬套类零件车内孔为例，对传统的工件装夹进行论证，当我们采用软三爪进行零件装夹车孔时（如图1所示），零件被装夹后，由于径向夹持力的作用，薄壁零件由原先的圆形，微小应变成类似于椭球形或者梨形的工件，切削后工件恢复规整的圆形截面零件。加工完成并卸下工件后，由于缺少了径向力，工件释放弹性应力，呈椭球形的工件外圆恢复原始状态，就使工件加工面呈现出（如下图2所示）的内不等径或者等直径（理想状态下）弧面椭球形。与加工的期望出现了较大误差，造成零件超差返修或者报废的情况出现。
图1图2
对于以上的问题，我们可以通过更改装夹方案来进行解决：由于装夹力的产生根源在于三爪卡盘的卡爪与工件接触后，实际作用为3点，即三爪的夹持面，根据物理学原理，压力与压强的转化的关键在于----接触面积。当接触面积增加时，同样的压力下，单位面积的压强减小，我们可以采用扩大零件与夹具的接触面积，使用焊接弧面镗正的软爪、卡瓣或者俗称的“开口套”，增大工件与夹具的受力面，使工件受力进行大面积分散，减小弹性变形；
3加工优化
3.1优化工艺方案
在薄壁零件加工中，经常会遇到不同的情况，如材料的热处理性能不同、工件内孔及外圆的精度不同、零件为单一车削情况或车铣复合的结构、零件表面粗糙度要求等，设计图的要求不同就决定了加工方法会有很多的差异。
1）换一种思路，扬长避短：零件变形的一大重要因素就是夹紧力作用下的应力变形，我们在加工中，可以尽量避免这种不利的加工方式，以加工零件的外圆面为例，不采用内撑式三爪夹紧，而先加工出尺寸一致的零件内孔（由于数控车床加工人工参与较少，其质量较为稳定，应优先采用该方法较为合适），根据内孔尺寸加工出配合较为合理的阶梯芯轴（配合标准以芯轴与零件内孔有紧度，但间隙较小为宜）与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触，另一端面应用压板和紧固螺母压紧，并用塞尺检查端面配合间隙不大于0.02mm，然后精车零件外圆。
2）先加工薄壁零件外圆再加工零件内孔的方法：在加工产品时，尽量采用先精加工零件的外圆。在加工外圆前，可以用铣床在零件内孔中铣出类似于汽车轮毂状的工艺用加强肋结构，精加工出零件的外圆，然后再采用水切割方法去除工艺肋，最后用内涨胎夹具抱紧零件外圆，采用内圆磨床或抛光磨床加研磨膏加工方法保证精密内孔尺寸公差。
3）扩大材料消耗定额：薄壁零件的加工一般采用铝合金棒料加工，在编制工艺路线时，扩大材料消耗定额，对了薄壁零件加工出带空刀槽的阶梯轴形式（空刀槽位置就是薄壁零件的理论长度稍留余量），用三爪卡盘夹持阶梯轴的较大外圆，加工阶梯轴较小外圆，先车加工端面，保证空刀槽到小轴端面的尺寸正好是薄壁零件的实际值，然后一次成形精加工出薄壁零件的外圆和内孔尺寸，最后在加工完成后沿空刀槽位置切下加工好的零件。
3.2刀具的选择
加工孔的刀具（车孔）刀杆悬伸距比较大，刚性差，容易产生振动，并在径向分力的作用下，容易发生让刀现象，影响加工孔的精度。因此加工薄壁零件孔时应尽可能增加刀杆的刚性，同时，为了容易排屑，应在车刀前面开有断屑槽或卷屑槽，在合适的刃倾角下控制切屑排出的方向。合理选择刀具几何参数，精车薄壁零件时，刀柄的刚度要求高，车刀的修光刃不易过长（一般取0.2～0.3mm）刃口要锋利。采用外圆精车刀Kr=90°～93°、Kr’=15°、a0=14°～16°、a01=15°，γ0适当增大，刀具材料为YW1硬质合金；内孔精车刀Kr=60°、Kr’=30°、a0=14°～16°、a01=6﹀8°，γ0适当增大，刀具材料为YW1硬质合金；精加工车刀参数、v0=160mm/min、f=0.1mm、ap=0.2﹀0.4mm。
3.3合理选用切削用量
我们都知道加工的三要素是切削速度、背吃刀量和进给量，对于薄壁零件来说，加工三要素显得尤为的重要，合理选择加工要素，优化加工是提高产品质量关键的要素之一。对于不同设计图素的工件，本文推荐使用《D-form》----加工有限元分析软件对零件受力情况进行分析。本文查阅资料总结了前人的加工经验，粗车一般采用切削速度，进给量。这里要特别提出：对于薄壁零件粗车，很多人都存在一定误区，认为预留精车的余量越小越好，其实是不对的！因为加工的最优状态是切深（刀尖倒角），否则加工时就不是刀具切削而变成了积削瘤切削，这样不仅零件尺寸不能保证，而且表面质量极差。因此，预留精车余量一般控制在0.2~0.5以上。
精车时一般采用高转速、低进给大吃刀量加工的方法最为适宜，一次加工去除预留余量，切削速度，进给量。这样可以获得较好的零件表面粗糙度和尺寸精度。
4高速切削加工及加工展望
上文论述了加工的最优方案为高转速、低进给大吃刀量加工，随着加工技术的提高，世界各国的加工主流集中在高速加工（hightspeedcutting）。高速切削下，零件加工产生离心效益，刀尖与零件接触时，零件瞬间产生较大的切削力，随后突然下降，速度越快，瞬间力时间持续越短，零件处于反复的应变——回弹现象，零件内外应力反复充分释放，同时高速切削能够有效的产生大量的连续切屑，避免铝合金的类似断屑切屑的现象，切削热量较少残留于零件表面（实验证明：切屑能够带走90%以上的加工热量）；高速切削时能够产生较高的激振频率，有效克服零件和机床的共振和谐振，防止机械加工振纹的发生，大大的提高工件的表面光洁度；由于高速切削具有很高的速度，增大了薄壁零件的剪切角，减小了变形系数，就使工件的剪切变形区变窄和切削流出速度快。因此对于刚性差的薄壁零件变形量减小，产品合格率大大提高。采用CAM系统，可以提高生产率，降低薄壁零件的加工周期，降低加工成本。在生产过程中，它监控、调度、处理并且最终空息流，防止在加工中废品产生给企业带来损失。数控加工，能加工复杂形状的部件，避免了在传统普通加工中采用成形刀造成了工件应力集中，利用数控机床进行加工，还能减少工件和机床间的振动，同时也能最大限度的降低在切削过程中因切削力引起的振动，从而保证了零件的形、位精度及表面粗糙度。同时激光快速成形技术应用，是一种基于激光融覆的跌层技术，他将快速成形技术自由成形的优点与激光熔覆技术相结合，能够实现高性能复杂结构、致密零件的直接成形，具有高柔性、短周期、成本低等特点，是一种将材料技术与制造技术融为一体的“新材料设计、新材料制备与近成形高性能复杂零件成为一体化”新技术。激光快速成形加工为材料加工提供了常规手段无法实现的极端平衡条件，使成形件具有细小，致密的组织和优越的综合性能，激光快速成形技术综合利用了激光、计算机、CAD、数控和新材料等学科的高兴技术解决了传统方法无法加工的许多问题。
5结束语
本文通过从多方面论证了薄壁村套的加工方案，总结出几种常用的解决变形的方案，以及现代加工技术应用的简要介绍，我们相信，在未来的生产中，随着对加工方案的深入研究，该零件将不再是加工中的瓶颈。
作者简介：
苏健，男，毕业于沈阳工学院，机电一体化专业，现任黎航部件公司作动筒工段工段长，工程师，致力于作动筒类零件的加工装配及高温合金等新材料零件的加工研制；苏宁，男，毕业于哈尔滨工程大学，机械设计制造及其自动化专业，现任黎航部件公司作动筒工段技术工长，助理工程师，致力于作动筒类零件的加工装配及高温合金等难加工材料加工及工程化应用。 |
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