薄板類零件加工工藝研究與改進

呂　軍,楊　雷,呂　建

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

薄板類零件加工工藝研究與改進

呂軍,楊雷,呂建

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：薄板類零件在加工過程中因受多種因素影響易產生振動和應力變形,難以保證加工精度和質量。通過對薄板類零件加工工藝的研究與改進,提出在現有加工條件下通過改進裝夾方式、改進刀具、合理選取切削用量等措施,可有效減小切削振動和加工應力變形,從而提高零件加工精度,保證加工質量。

關鍵詞:薄板;振動;應力變形;裝夾;刀具;切削用量

0引言

薄板類零件在加工過程中,因為壁薄、剛性差,強度低,極易受振動、切削力和夾緊力的作用產生應力變形,難以滿足尺寸精度和形位公差要求。因此,對此類零件,需對加工工藝的合理性做系統的考量,以確保在加工過程中不會因某個環節的工藝缺陷給零件質量帶來隱患,影響零件最終精度。合理選擇加工方式、裝夾方法、刀具、切削用量及冷卻液種類,以及通過人工時效去除加工應力等方法,是保證加工質量的關鍵。

1影響薄板類零件加工質量的因素

1.1裝夾方法對應力變形的影響

在加工過程中,零件若裝夾方法不當容易受到不均等的拉力或壓力而產生振動和應力。當加工完成去除夾具后會使零件產生形變誤差,影響加工質量。如果零件自身剛性差,特別是在加工過程中刀具對零件施斷續切削時,刀具與零件表面產生摩擦,發生振動,不僅形成振紋,造成零件表面光潔度差,影響零件形位公差,還會加大零件應力變形。當振動強烈時還會使刀具產生崩刃現象,縮短刀具使用壽命[1]。零件加工前的自帶應力及加工時因振動、摩擦熱、排屑不暢等因素產生的應力也是導致零件發生不規則變形、影響零件的尺寸精度和形位公差的重要因素。

因此,選擇恰當的裝夾方法以減小振動、消除應力變形是有效保證零件加工質量的前提和首要因素。

1.2切削力的影響

切削力是刀具在切削零件表層余量時受到的阻力[1]。它主要來源于兩個方面:一是切削過程中克服切削形成彈性變形和塑性變形產生的抗力;二是刀具與零件表面之間的摩擦阻力。這兩方面的合力構成了切削力,它同時作用在刀具的前刀面與后刀面上,切削力的大小是直接引發應力變形的誘因[2]。

1.3切削用量及刀具的影響

切削用量是指切削深度、進給量、切削速度3個要素[1]。在切削用量中切削速度對刀具磨損影響最大,其次是進給量,切削深度的影響較小,而刀具的幾何角度使得切削對零件表面質量產生較大影響。

1.4切削液的影響

在切削過程中,由于切削變形、切屑、刀具與零件的摩擦等會產生大量的熱,它傳遞到刀具上,使刀具的硬度降低,加速刀具磨損,影響零件表面光潔度。一般采用切削液對刀具及加工件進行降溫[3]。切削液種類很多,若選擇不當,不僅不能有效降低切削熱對表面光潔度的影響,還會加大應力變形,這也是影響零件質量的關鍵因素之一。

2提高薄板類零件加工精度的工藝措施

對于普通薄板類零件,特別是施連續切削的薄板類零件的工藝措施已較為普遍,通常以多次翻身加工和在粗、精加工過程中采用熱處理的辦法去除加工應力來消除應力變形以保證加工精度和質量,但如何就特殊的薄板類零件(如施斷續切削)采取針對性的措施是確保此類零件加工質量的重要環節。

以某零件 “蓋板”為例(見圖1)。該零件大面厚13.5 mm。由于毛坯為鑄造(材料:ZL205A-T6),表面粗糙不平,中間及左右兩側支耳有孔,無法使用真空吸盤裝夾,也無現成的可裝夾部位。從零件需要加工的部位來看,該零件應以車削加工為主要手段,大面加工為斷續切削,鏜孔為連續切削,系斷續切削與連續切削為一體的復合加工件。因斷續切削是引起振動和應力變形的主要因素,所以本文以斷續切削的薄板件為主體,重點分析此類薄壁零件采取的工藝措施以保證加工質量。

2.1合理、有效的裝夾方法

圖1　蓋板零件示意圖

對該零件的結構進行分析,其為薄壁零件,形位公差要求高,且整面需要加工,由于沒有合適的裝夾位置,若采用常規的裝夾方法,至少3次裝夾才能完成加工,難以保證加工精度。根據零件的外形特點,本著受力對稱、均布的原則,在毛坯外形上對稱、均布地增設工藝搭子,以解決裝夾和工藝基準問題。改進裝夾方法后,零件本體不受夾緊力的影響,使零件在車削過程中始終呈自由狀態,利用作用力與反作用力相抵原理進行切削。由于加工中采用軸向切削,此時切削區域的切削力由壓力與彈性力互為作用力與反作用力。在壓力作用消失后,彈性力迅速恢復,抵消或減小了應力及形變。同時,由于采取多次翻身切削的手段對大面進行均勻切削,使應力得到均等釋放。圖2 為裝夾示意圖。

圖2　裝夾示意圖

2.2刀具選擇和切削刃角度改進

在車刀切削刃幾何角度中前角、后角、刃傾角對切削的影響最大。其中前角數值與所加工的零件材料和刀具材料有關,若幾何角度選擇不當,不僅影響刀口的鋒利和強度,而且會加大切削力和切削變形。后角幾何角度選擇不當,會影響散熱和切削力;刃傾角選擇不當,不僅影響排屑方向,還容易引起崩刃。

零件“蓋板”材料為ZL205A,熱處理方式T6,布氏硬度HB120,抗拉強度 467 MPa[4],切削時容易產生積瘤,且零件表面的切削為斷續切削,沖擊力大,切削力大,切削變形也大。因此,只有提高刀具強度,使刃口鋒利并加大排屑,才能在切削時減少積瘤,有效減少振動及振紋,避免刀具崩刃現象,提高表面光潔度,改善零件表面質量。根據零件材料特性,選擇高速鋼刀具能夠較好地完成切削。

零件粗車時,由于毛坯余量大(單面切削深度約4 mm),表面粗糙,有氧化層。因此,表面對刀具的抗力較大,切削力也大,切削變形隨之加大,刀尖區域內溫度高,容易加劇刀具磨損,降低壽命。為了適應粗加工特點,應從減少切削力著手來確定刀具的幾何形狀,即通過加大前角、取負值刃傾角、減小后角、提高刀具前后面的表面光潔度可取得較好效果。

零件精車時,由于半精車、精車余量小(單面切削深度為1.5 mm),因而切屑變形和切削抗力相應減少,所以刀具磨損小。又因加工時會選取較小的進給走刀量,所以可選擇較大的前角和后角,并增大刀尖圓弧半徑、修光刀刃。

2.3切削用量的選擇

選擇合適切削用量,可提高切削效率,保證刀具的耐用度和經濟性,降低和減小應力變形對加工精度的影響。

2.3.1切削深度的選擇

粗加工時,零件加工余量大,盡管對表面粗糙度要求不高,但由于零件剛性較差,切削深度大會引起振動,增大零件應力變形。因此,為了給后續半精車、精車打好基礎,零件粗加工時切削深度的選擇不能等同于普通零件的切削深度。經多次摸索及經驗積累,在粗加工與半精/精加工階段,通過分次并逐漸減少切削深度的方法,有效減少了振動,控制和減小了應力變形,保證了表面粗糙度要求。

2.3.2進給量和切削速度的選擇

切削深度選定后,進給量也應適當選取。進給量的大小受機床、刀具的剛性和強度、零件精度、表面粗糙度和斷屑條件等限制。進給量過大會引起刀具損壞、零件變形、表面光潔度差等。

薄板類零件在車削加工中無論粗、精加工轉速均以慢速為主。通常粗加工時選擇轉速不大于12 r/min，而精加工時選則轉速不大于10 r/min。

2.4切削液的合理選擇

切削時,充分加注切削液不僅可以有效降低切削區溫度、緩解摩擦熱,還可以提高刀具壽命[1]。對于材質為ZL205A-T6鋁鑄件,加注煤油效果最好,既防止粘刀,又可提高零件表面光潔度。

3改進工藝措施后的加工效果

對3個批次“蓋板”零件的加工全過程跟蹤,并檢測加工完成后零件尺寸和形位公差,從“加工精度”和“加工成本”兩方面進行對比。首件“蓋板”按原工藝加工完成后,檢測結果未達設計要求;經對改進工藝后加工的零件進行檢測,均滿足尺寸精度和形位公差設計要求。首件在數控龍門銑上加工時間約為30 h,數顯立車上加工時間約6 h,合計成本約9360元(=30 h×300元/h+6 h×60元/h);而改進工藝后單件在數控龍門銑上加工時間約為8 h,數顯立車上加工時間約16 h,合計成本約3360元(=8 h×300元/h+16 h×60元/h)。

通過比對表明,上述工藝改進措施不僅有效地解決了薄板類零件加工精度不易保證、較難達到設計要求的難題,而且裝夾簡便,無需對操作人員有較高要求,減少了對操作人員技術水平的依賴,更重要的是使底面(基準面)和孔的加工一次裝夾完成。在有效保證加工精度的基礎上,提高了加工效率,降低了加工成本,經濟效益也非常明顯。圖3 為加工現場實拍圖。

圖3　加工現場實拍圖

4結束語

通過對薄板類零件加工工藝的研究與改進發現,合理選擇裝夾方法、加工方式、刀具、切削用量及切削液種類,并在加工過程中通過人工時效消除加工應力[4]等工藝方法是減小加工中產生的應力變形,確保零件最終加工精度的有效措施。此加工方法還可以推廣至鋼類、銅合金、變形鋁合金等其他材料的薄板加工,為今后更好地加工薄板類零件提供參考依據。

參考文獻:

[1]中華人民共和國職業技能鑒定輔導叢書編委會.車工職業技能鑒定指南[M].北京:機械工業出版社,1996.12:30-33.

[2]朱明臣.金屬切削原理與刀具[M].北京:機械工業出版社,1995.11:8-9.

[3]王先逵.機械制造工藝學[M].北京:清華大學出版社,1989.3:20-29.

[4]機械類通用教材編委會.熱處理工藝學[M].北京:機械工業出版社,1980.8:402-427.

Research and improvement of machining technology of sheet metal parts

LYU Jun, YANG Lei, LYU Jian

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The sheet metal parts are easily affected by various factors in the process of machining, which may cause vibration and stress deformation, so that it is difficult to ensure the machining precision and quality. With the study and improvement of the machining technology of the sheet metal parts, some measures are taken under current machining conditions such as the improvement of the clamping modes and cutters and the reasonable selection of the cutting parameters, which can effectively reduce cutting vibration and stress deformation, to improve and ensure the machining precision and quality.

Keywords:sheet; vibration; stress deformation; clamping; cutter; cutting parameters

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-04

作者簡介:呂軍(1963-),女,高級工程師,研究方向:機械制造工藝設計;楊雷(1981-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：結構設計與工藝技術;呂建(1961-),男,技師,研究方向:高頻元件、薄壁件、鈦合金等難切削材料的精密加工。

中圖分類號:TH161.1

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0050-03