0 引言
隨著時代進步, 零件加工向著大型化、微型化兩個不同的方向發展, 而且精度要求比較嚴格。對于大型件的加工, 采用原有的技術, 難以保證零件的精度要求。本文針對大型鑄造鋁合金薄壁件加工, 提出相應技術措施, 較好地解決了生產中存在的問題。產品為鋁合金零件, 直徑為 380mm 或534. 5mm, 長度從700mm 到1 370mm, 壁厚為4. 2+ 0. 5mm, 內外形尺寸公差為0. 02mm～0. 14mm, 槽與軸線平行度要求≤0. 02mm, 內外各機加尺寸同軸度≤ 0. 06mm, 外形有大小不等的若干孔槽。工件尺寸大, 剛性差, 精度高, 機加難度大。可借鑒的技術手段缺乏。本文就如何保證該類零件機加的精度而應采用的技術做了詳細闡述。
1 壁厚精度的控制
該類零件內形均為非加工面, 要求直接鑄成, 機加后要求壁厚均勻, 任測四條母線72 點, 每條母線壁厚均值為4. 2+ 0. 5mm, 各檢測點在4. 2+ 0. 8- 0. 2范圍內, 任意母線壁厚均差值≤0. 5mm。內形為非加工面, 要保證壁厚均勻, 機加時就需要以內形定位、找正, 為此, 在工藝中提出鏜床二橫截面16 點找正法及工序間測壁厚二次微調基準孔中心法, 實踐證明這兩種辦法結合在一起可基本上保證該類零件的壁厚均勻。
1. 1 二橫截面16 點找正法
圖1 所示為其中一橫截面的8 點找正圖, 要求二橫截面上的16 點應在同一個圓柱面上, 達到目的后兩端制基準孔。車工以工藝基準孔為基準加工外圓, 然后在外圓進行8 條母線測壁厚, 根據實測壁厚值, 二次上鏜床調整兩端工藝基準孔的位置。
因鏜床只能沿x 、y 方向移動, 在A 、C、E、G 點出現薄點時, 坐標直接向薄點移動即可, 移動量為相對點壁厚差的1/ 2。如在B、D、F、H 點出現薄點, 需計算出薄點在x 、y 坐標上的分量疊加值, 然后按x 、y坐標上的矢量和移動坐標。
1. 2 內定心制中心孔切邊工藝
用二橫截面16 點找正法時, 為提高找正精度, 兩個找正橫截面必須盡量遠一點, 但對于一端封閉一端開口的殼體, 運用這種辦法找正精度差( 遠截面觀察表十分不方便) 、效率底, 流線型外形裝夾也不方便。為此, 設計制造自定心制中心孔及切邊工裝, 比鏜工找正提高效率8 倍以上, 且夾具定心精度高于鏜工找正精度, 可省一道鏜工工序。
殼體制中心孔及切邊工藝簡圖見圖2, 定位塊6以殼體零件小端面內曲面定位, 大端以三爪定位。使用時先用立車縱向刀桿給殼體一定壓力, 確保定位塊6 實施定位的前提下, 再用三爪卡盤3 夾緊工件大端內孔, 然后制中心孔, 切邊。使用夾具前應用百分表找正定位塊及三爪卡盤的定位部, 保證跳動量小于2mm。橡膠墊4 可在縱向刀桿下壓時起緩沖作用。
2 機加中變形控制
大型鑄造鋁合金薄壁件的找正、定位是精密加工的前提, 為保證大型薄壁件的精度, 還需要控制在機加中的變形問題, 否則難以保證零件的精度。為了有效控制機加過程中的變形, 還應從工序、熱處理、夾緊力、切削參數等方面進行合理選擇。
2. 1 合理安排工序
為防止大型薄壁件變形問題, 必須合理安排粗、半精、精加工及熱處理工序。大型鋁合金薄壁件在機加分廠的周轉工序都在20 道左右, 通過合理安排工序等措施, 有效地把變形問題控制在較小的范圍內。
2. 2 熱處理工藝參數優化及合理的尾座壓力
原粗加工及半精加工后都有熱處理退火去應力工序, 原退火工藝參數為150℃- 2h。為檢驗該參數是不是最佳參數, 分別在儀器倉殼體及后段上進行熱處理子樣分組試驗, 兩種零件子樣各分四組, 按不同參數進行熱處理, 四組熱處理參數分別為150℃- 2h, 150℃- 3h, 150℃- 4h, 150℃- 2h 連續兩次, 發現第四種方案退火效果最好, 于是加工正樣時把該參數落實到工藝中, 工件質量具有明顯的改觀。
在正樣加工中, 發現“中段”殼體精車后變形嚴重超差( 變形量達0. 4mm) 。經過認真分析, 認為可能原因有三個: ① 工序間余量需調整; ② 夾具與工件間隙需調整; ③ 尾座壓力需調整。于是在鑄造廢品件上做工藝試驗, 經過試驗發現, 尾座壓力不合理是造成變形超差的主要因素。調整尾座壓力后該工件在本工序達到100%合格。
2. 3 控制夾緊力對變形的影響
薄殼體件易在夾緊力作用下產生變形, 所以這類零件加工時應嚴格控制夾緊力的作用點及夾緊力的大小。我們將薄壁件的鏜孔夾具夾緊力作用點全部放在加強筋部位, 且離孔口加工部≥200mm, 以把夾緊力對變形的影響控制到最小。
為保證工件在夾緊力的作用下引起的變形不致引起加工尺寸超差, 加壓時可在易變形的待加工部抵百分表, 使加壓時變形的指示值遠遠小于該部機加公差值。
對夾緊力大小的要求應是在保證夾緊可靠的情況下夾緊力越小越好, 并保證夾緊力的均衡。尾段殼體的四翼板對稱度要求小于0. 15mm, 開始加工時經常發生零件對稱度超差, 有時不對稱度達0. 4mm ～0. 5mm ( 該件精加工使用機床為DMU 125P) , 經過分析認為是夾緊力過大引起零件變形所致, 減少夾緊力后避免了對稱度超差的現象發生。
為減少因操作夾緊的人為因素造成殼體零件變形, 對夾緊力比較敏感的易變形工序, 全部配置力矩扳手, 比較有效地控制了夾緊力對變形的影響。
2. 4 反復多層切削法
從理論上說, 零件上去掉任何一層, 金屬因應力的重新分布都會發生變形。對剛性大的工件, 由此引起的變形微乎其微, 可不必去考慮。但對于易變形的薄殼體件影響很大, 必須在工藝上采取措施予以消除。后段殼體楔環槽使用C630 車床加工難度較大,加工過程中經常產生變形超差問題, 為此采用了“分層切削”的加工這一原理可以廣泛用于各種殼體的精加工工序,使因切削引起的零件內應力重新分布引起的變形得到有效的控制。
2. 5 切削參數及刀具角度對變形的影響及控制
2. 5. 1 選擇合理的切削三要素
( 1) 選用較小的切削深度: 精加工時切削深度t=0. 1mm～0. 2mm。
( 2) 選用較大的切削速度: 精車工序因考慮殼體本身結構不對稱, 轉速高時會產生大的動不平衡, 所以切削速度不能太大, 精車時殼體轉速為200r / min～120r/ min。較大的切削速度主要指銑加工而言, 銑加工時v = 250m/ min 以上( 相當于10 銑刀8 000r/min 以上) 。切削速度較大時產生的切削熱雖然較多, 但切削熱絕大部分被切屑帶走, 傳給工件的很少( 通俗地說, 因切削速度很高切削熱還沒來得及傳給工件就被切屑帶走) , 故有利于減少殼體變形。
( 3) 選用適中的單刃走刀量f z : f z 受表面粗糙度的限制, 走刀量f z 與表面粗糙度的關系見圖3。表面粗糙度Ra 為:
2. 5. 2 選用合理的刀具角度
選用較小的刀尖角可減少徑向力, 精車時取刀尖角為30°。刀尖半徑R 增大, 徑向力將增大, 但R 太小易崩刃, 因此刀尖半徑應適中, 精車時取R= 0. 4mm～0. 8mm。采用大前角( r= 30°)制成小的刃口半徑,即盡量尖銳。
進行微量切削時刃口半徑和最小極限加工深度見圖4。刃口圓弧上每一點的切削力都可分解成水平分力P z 和垂直分力Py , 并且圓弧上各點的水平分力與垂直分力的比值是變化的。但在半徑為的刃口圓弧上總能找到一點G, 在G 點恰好P zi= P yi, G 點即為切屑與金屬基體的分離點( 擠壓、拉斷) , G 點上的金屬可被切去。
通過公式推導, 最小極限加工深度amin為[ 1] :
amin= 0. 1 。
G 點以下的金屬將被擠壓留在工件表面上。刃口半徑越大, 被擠壓的金屬厚度越大( 成正比) , 形成的擠壓力也越大, 越易引起工件變形。所以鑄造鋁合金殼體加工中為減少變形, 要求刀具具有小的刃口圓弧半徑。
為保證刃口半徑盡量小, 所以切削鋁合金的刀片一般不進行化學氣相沉積( CVD) 或物理氣相沉積 ( PVD) 。這是由于沉積過程中會增大刃口半徑, 即刃口的鋒利性降低。
涂層刀具不宜用于一些高精度特薄切削層的加工, 這是因為涂層后刀具的刃口鈍圓半徑較大, 對工件壓力也較大。
3 結論
針對大型薄壁件綜合運用上述工藝技術進行加工, 對加工件檢驗, 對應母線的壁厚均值差達到了0. 08mm, 四條母線的壁厚均值差為0. 26mm, 高于鏜床找正精度, 殼體的口部圓度可控制在0. 02mm 以內, 滿足高精度的工藝要求。殼體內外同軸度可達到0. 02mm 以內, 也使殼體在總裝過程中容易進行。本文解決了大型薄壁件加工中出現的技術問題,為相關高精度薄壁件的加工提供了具體思路和措施。
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