鋁合金車輪鏡面加工技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

計國富

（保定市立中車輪制造有限公司，河北 保定 071000）

鋁合金車輪鏡面加工技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

計國富

（保定市立中車輪制造有限公司，河北 保定 071000）

鋁合金車輪具有大直徑、輕量化、易散熱、端經(jīng)跳動精度高、動平衡量小等優(yōu)點。鋁合金車輪的鏡面加工能力對硬件設(shè)備和加工工藝要求很高。因此，在車輪的生產(chǎn)過程中采用鏡面加工工藝的少之又少。現(xiàn)在使用的一般精車設(shè)備無論是軟件還是硬件均不滿足鏡面加工的條件。

鋁合金車輪鏡面；加工；工藝

鏡面加工要求轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、切削深度0.02mm、進給量≤0.10mm的加工參數(shù)下，加工面刀紋清晰均勻，每一單節(jié)之間沒有視覺可見的過渡痕跡或刀棱，而現(xiàn)有精車進給量≤0.15mm時，加工紋路已經(jīng)模糊，視覺可見明顯的過渡痕跡或刀棱，僅此一項就決定了現(xiàn)有設(shè)備無法進行鏡面加工?，F(xiàn)有的精車夾具為油壓夾頭配合扇形卡盤，先不討論卡盤本省的動平衡問題，僅扇形卡盤的定位方式已經(jīng)決定其無法進行鏡面加工。工件在扇形卡盤上裝夾存在兩個問題，一是徑向定位采用耳緣定位，耳緣部位是粗車制造精度最差的部位，粗車工件的過程中耳緣部位徑向精度只能保證≤0.3mm，采用粗車加工精度最差的部位做精車工序的定位基準(zhǔn)，會造成工件高速旋轉(zhuǎn)時工件本身的動平衡差，容易發(fā)生振動；二是扇爪裝夾部位是工件的內(nèi)輪緣，內(nèi)輪緣通過輪輞與A面相連，工件絕大部分質(zhì)量集中在A面筋條部位，這樣就造成了內(nèi)輪緣與輪輞構(gòu)成薄壁結(jié)構(gòu)無法對質(zhì)量集中的A面提供足夠的支撐力，容易造成工件在高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生振動。工件振動造成的結(jié)果是加工紋路模糊，視覺可見的過渡痕跡或振刀紋。本公司決定自主研發(fā)鋁合金車輪鏡面加工技術(shù)，填補國內(nèi)技術(shù)上的空白。

1 總體開發(fā)思路

鋁合金車輪鏡面加工工藝技術(shù)設(shè)計新穎、獨特，外觀獨顯高貴，公司決定自主開發(fā)設(shè)計一條可以加工鏡面產(chǎn)品的精車線，提升公司鏡面加工能力，提高技術(shù)水平和制造能力，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，進而尋求成為世界一流汽車廠商的配件供應(yīng)商。

本項目研制成功后，主要達(dá)到以下指標(biāo)：①加工面刀紋清晰均勻。②每一單節(jié)之間沒有視覺可見的過渡痕跡或刀棱。③精加工表面粗糙度Ra：小于0.3μm；在距輪面150mm處，能讀出手表的時鐘和分鐘所處的位置。④生產(chǎn)出鏡面效果的產(chǎn)品，機械性能達(dá)到企業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)節(jié)拍控制在7min以內(nèi)。

2 技術(shù)方案

為了增加一種新型的車輪制程而滿足消費者越來越高的外觀要求，項目組提出了車輪鏡面加工技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用項目的研發(fā)計劃，核心內(nèi)容是解決加工鏡面需具備的鏡面加工數(shù)控設(shè)備、鏡面加工專用夾具、單晶金剛石刀具三個硬性條件。

鏡面加工要求轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、切削深度0.02mm、進給量≤0.10mm的加工參數(shù)下，加工面刀紋清晰均勻，每一單節(jié)之間沒有視覺可見的過渡痕跡或刀棱。

名稱：車輪鏡面加工精車線。

工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速：1500轉(zhuǎn)/分鐘；切削深度：0.02mm；進給量：≤0.10mm。

3 工藝開發(fā)流程

3.1 開發(fā)流程

項目小組成立→市場分析→風(fēng)險分析→項目考察→項目確認(rèn)→開發(fā)需使用物料準(zhǔn)備→試生產(chǎn)小批量生產(chǎn)→批量生產(chǎn)。

3.2 具體開發(fā)成果方案

在項目確認(rèn)后，項目小組制定了詳細(xì)的試生產(chǎn)計劃和鏡面加工工藝流程。

（1）設(shè)計方案。①鏡面加工數(shù)控車床設(shè)計數(shù)控鏡面車床的基本要求。加工范圍：外徑15″～22″（最大φ670mm）；寬度6″～10″（最寬300mm）。加工外觀：精加工表面粗糙度Ra小于0.3μm；在距輪面150mm處，能讀出手表的時鐘和分鐘所處的位置。設(shè)備使用時間：保證設(shè)備每天能連續(xù)24小時生產(chǎn)，每年350天生產(chǎn)。②鏡面加工夾具設(shè)計。夾具生產(chǎn)廠家為山東濟南某公司，卡盤制造完后做精確動平衡?？ūP徑向定位方式使用中心漲套定位。③鏡面加工刀具設(shè)計。采用R2和R1.2單晶金剛石刀具加工，聯(lián)系新廠家做刀具進行驗證。④效率分析。鏡面加工時，采用兩遍粗加工，一遍精加工的方法，粗加工采用參數(shù)：f=0.1mm/rev、s=1500rev，鏡面加工一個工件的生產(chǎn)的時間為（19寸工件正面加工距離L=240mm）：

式中，t為加工時間（min)；f為進給量（mm/ rev)；s為轉(zhuǎn)速（rev)。

由式(9)可見，正常鉆進屏蔽系數(shù)不僅與最大頂角和負(fù)彎曲最小頂角相關(guān)，還與摩擦系數(shù)和負(fù)彎曲段長度線性相關(guān)。糾斜后，鉆孔軌跡摩阻力不僅隨孔深增加而增加，而且隨糾斜后孔深增加大幅度增加，嚴(yán)重影響鉆進過程中對孔底情況的掌控能力。

粗加工一遍時間：t=240/(0.1×1500）=1.6min

精加工時間：t=240/(0.05×1500）=3.2min

總時間：T=1.6×2+3.2=6.4min

結(jié)論：19寸工件6.4分鐘加工一個，一個班8小時加工75個。

（2）設(shè)備方案。根據(jù)技術(shù)要求，經(jīng)技術(shù)人員和采購人員的共同篩選，從設(shè)備性能、價格、售后及售后費用等各個方面進行對比，北京博魯斯潘光電技術(shù)裝備有限公司生產(chǎn)的數(shù)控鏡面車床的性價比最高。最終決定與北京博魯斯潘光電技術(shù)裝備有限公司共同開發(fā)車輪鏡面加工精車線。

解決的關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)備精度的保證：①高精度主軸：該主軸采用高精度、高剛度、抗震動靜壓軸承，作為輪轂自動定心機構(gòu)和輪轂卡具的載體。②各坐標(biāo)軸軸承：日本NSK高精度大角度角接觸球軸承。③各坐標(biāo)軸驅(qū)動絲杠：超高精度滾珠絲杠（日本THK），裝配時，做動態(tài)阻尼調(diào)整（與機電系統(tǒng)驅(qū)動慣量相匹配）。④各坐標(biāo)軸導(dǎo)軌：超高精度低阻尼系數(shù)導(dǎo)軌（全封閉式液壓懸浮導(dǎo)軌），裝配時也須做動態(tài)阻尼調(diào)整（與機電系統(tǒng)驅(qū)動慣量相匹配）。⑤采用天然鉆石刀加工鏡面工藝，細(xì)化了車輪A面紋路和提高了光澤度。⑥采用固定的加工參數(shù)：轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘；切削深度0.02mm；進給量≤0.10mm。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

高可靠性的保障：①在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計中，充分考慮機床的時間和溫度穩(wěn)定性，是機床能長時間穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。②成熟的控制系統(tǒng)和電氣元器件及其布置設(shè)計是機器可靠性的根本保障。③微位移驅(qū)動及動態(tài)控制比技術(shù)是實現(xiàn)真正意義鏡面車削可靠性的重要技術(shù)保障。④液壓卡緊，壓力可調(diào)，卡爪卡緊內(nèi)側(cè)采取保護措施。

（2）采用單晶金剛石刀具加工鏡面工藝。單晶金剛石刀具細(xì)化了車輪A面紋路和提高了光澤度，增加了車輪的可觀賞性和賣點。

（3）鏡面加工工藝的改進。針對鏡面表面亮度的特殊要求，單晶金剛石刀具的特性和以往仿鏡面加工經(jīng)驗積累，單晶金剛石刀具雖然刃口很鋒利，但當(dāng)采用大切深進行加工時，其加工效果不夠明顯，這在很大程度上取決于工件材料、切削速度和進給量，所以切削深度大于0.02mm時，不采用單晶金剛石刀具進行加工，先用聚晶金剛石刀具進行粗加工，然后再用單晶金剛石刀具進行精加工。所以鏡面加工應(yīng)分為粗加工和精加工。由于鏡面表面外觀是由精加工決定的，所以精加工參數(shù)決定了鏡面加工的外觀效果。精加工轉(zhuǎn)速的選擇。車削時，切削速度與表面粗糙度關(guān)系很大，在以往實際生產(chǎn)中，為保證較低的表面粗糙度，可以采用較高的切削速度。但切削速度達(dá)到一定程度之后，由于高速條件下系統(tǒng)剛性和平衡性問題，表面粗糙度不但無法再繼續(xù)下降，反而略有升高，所以一般情況下轉(zhuǎn)速維持在1500轉(zhuǎn)/分鐘即可，追求過高的轉(zhuǎn)速是沒有必要的。

（4）精加工切削深度的選擇。單晶金剛石刀具切削深度為≤0.02mm。精加工進給速度的選擇。進給速度與表面粗糙度之間有一定的關(guān)系，而進給速度的選擇又與刀具角度和刀尖型式有關(guān)。為綜合保證較低的表面粗糙度和較高的生產(chǎn)率，精加工時采用刀尖半徑為2mm的單晶金剛石刀具，達(dá)到要求的Ra小于0.3μm的粗糙度，可帶入公式：

式中，f=進給量（mm/rev)； r=刀尖半徑（mm)。

f2=(0.3×2)/50=0.015 推出：f=0.109mm。

結(jié)論：進給量最大為0.109mm考慮到刀尖半徑大，容易發(fā)生振刀的可能性大，還需制造刀尖半徑為1.2mm的單晶金剛石刀具，使用的進給量為：f2=(0.2×1.2)/50=0.015，推出：f=0.085mm。

結(jié)論：進給量最大為0.085mm。

綜上所述，為統(tǒng)一加工外觀刀紋視覺效果（刀紋間距），刀尖半徑R2和R1.2刀具進給速度均采用f=0.05mm。

（4）鏡面加工工藝的鏡面效果。加工面紋路清晰均勻；每一單節(jié)之間沒有視覺可見的過渡痕跡或刀棱；精加工表面粗糙度Ra小于0.3μm；在距輪面150mm處，能讀出手表的時鐘和分鐘所處的位置。

5 結(jié)語

要保持在同行業(yè)處于領(lǐng)先地位，還必須要進一步加快質(zhì)量保證和產(chǎn)品研發(fā)速度，提升核心競爭力，去面對全球一體化的市場格局。如提高鏡面加工的效率和過程的穩(wěn)定性，減少其故障率。

TM63

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1671-0711（2017）06（下）-0086-02