鋁合金薄壁筒形零件車削與夾具

吳延群

摘要：為了滿足鋁合金薄壁零件機械加工的需要，要實現其加工系統的優化，促進其內部各個環節的有效協調，以滿足日常工作。在鋁合金薄壁零件的機械加工過程中，通過對其加工模式、材料特性的有效分析，從而滿足鋁合金薄壁零件的加工需要，保證日常工作的質量效率的提升。采取提高工藝系統剛度，進行多次工序間熱處理，選擇合理切削用量、充分冷卻等措施，通過新設計的車削夾具及優化刀具角度等工藝方法的改進，提高了鋁合金薄壁筒形零件的加工質量.以薄壁筒體車端面和精車內、外圓為例，結合典型夾具結構，分析和介紹改進后的工藝方法。

關鍵詞：鋁合金薄壁筒形零件;車削夾具;切削用量;夾緊變形

近年來，在國營大眾機械廠的機加工生產過程中，鋁合金零部件的加工數量逐漸加大，且形狀越來越復雜，尺寸精度和粗糙度要求越來越高，尤其是鑄造鋁合金殼體類零部件，結構復雜，鑄造壁薄，體積越來越大。鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強，切屑不易分離，切削過程中很容易粘附在刀刃上產生刀瘤，鋁合金薄壁件一般剛性較差，工件在加工中容易產生變形，鋁的線膨脹系數（0.0000238）比鋼的線膨脹系數（0.00001）大將近2.4倍，在切削加工過程中，熱變形較大，鋁合金材料的硬度偏低，在加工過程中，加工面容易劃傷，很難達到表面粗糙度要求。因此加工過程中，由于切削熱及裝夾變形對鋁合金零部件的加工精度和表面粗糙度影響很大。如何解決這個問題，以提高鋁合金薄壁零件的成品合格率，這給機械加工工藝人員提出了新的課題。我廠生產的一種鋁合金薄壁筒形零件，長度為 400- 410 mm，直徑 154 mm，壁厚為 1.5mm，因其材料的線膨脹系數為鋼的 2倍，彈性模量為鋼的 1/3，加之徑向剛度很低，在切削力、切削熱及裝夾力的作用下極易變形.對此，除采取提高工藝系統剛度，進行多次工序間熱處理，選擇合理切削用量、充分冷卻等措施外，還圍繞 減少工件所受非均勻徑向力這一關鍵，設計了薄壁筒體加工系列夾具，工件裝夾過程中，實行一次定位成型，施加較小的夾緊力，以減小人為誤差，并相應調整了加工工步和刀具切削參數.本文以薄壁筒體車端面和精車內、外圓為例，結合典型夾具結構，分析和介紹改進后的工藝方法.

一、精車端面及夾具

由于工件的徑向剛度低，為減少工件的夾緊變形，在精加工筒體內、外圓時，宜采取軸向壓筒體兩端面的方式.此時，如端面不平行，則會由于軸向壓緊力的不均勻而在筒壁某處隨機生成冗余的徑向分力.這種內應力失穩現象，在連續的切削過程中往往表現為肉眼可見的、非連續的數個切削表面，即筒體出現變形.所以，對于精車內、外圓前的端面平行度，應引起足夠重視并嚴加控制。

為研究設計的車端面夾具，該夾具以心軸 2左端錐柄在機床主軸孔內定位，心軸右端中心孔在尾座頂尖的支承下定位.脹盤 3由重量輕、減振效果好、硬度低、對筒體內壁有保護作用的尼龍材料制成，其圓周面上按 45均布加工出多條寬度小于 2mm 的槽口.由鎖緊螺母 5緊固脹盤，在脹心 4的推動下，脹盤直徑增大并與工件內壁緊密貼合，這種近似于整圓周的均勻支承不但定位精度高，而且避免了裝夾時多邊變形的誤差復映，脹力的大小也易得到控制.左端盤 1由卡盤爪堅固后按錐面精車定位面，以消除跳動誤差，并可適應同批筒體內徑的微小變化.加工時，心軸、脹盤、端盤與工件形成一剛性回轉體，實現了一次裝夾下車削兩端面的要求，能可靠地將平行度控制在 0.01mm之內.

二、精車內圓及夾具

精車內圓時，宜采取徑向半柔性定位，軸向壓緊 ？的方式，為避免工件外圓所受非均勻裝夾力，采用了如圖 2所示的筒形整體夾具結構.夾具體 1左端用螺栓與車床主軸法蘭盤連接，其內圓周表面經精確找正后，與車床主軸回轉中心同軸，既可作為工件徑向定位面，又能承受切削時的徑向力，增強工件剛度.由于工件與定位面之間處于半柔性的間隙配合狀態，可有效地避免徑向應力，由鎖緊螺母 軸向壓緊工件端面.加工完畢后，可通過主軸孔向右方對擋板 2施力，以便推出工件.制造該夾具時，應嚴格保證擋板兩端面之間的平行度，以及夾具體左端軸向定位面相應對回轉軸線的垂直度。

三、精車圓及夾具

精車外圓為筒體車削的最終工序，此時，壁厚僅為 1.5 mm，必須嚴格避免各種形式的徑向力對工件的影響.采取徑向定位，軸向壓緊的方式，精車后的筒體內圓以左、右端盤的外圓定位，左端盤以精車后的卡盤三爪夾持定位，內孔與心軸采取緊密配合，心軸右端仍以中心孔在尾座頂尖支承下定位，可保證良好的回轉精度.在鎖緊螺母推動下，右端盤沿心軸滑動直至壓緊工件，避免了旋轉壓緊方式對工件產生的扭轉應力.為增加筒體剛度并吸收切削振動，于筒體內預置一塊與內圓周表面積相等的橡膠板（厚度 3mm），筒體回轉時所產生的離心力可使橡膠板均勻緊貼在筒體內壁上.有效地起到、增加壁厚、提高剛度、吸收切削振動的作用.

四、刀具的選擇

在加工中，高速切削會產生大量切削熱，盡管切屑能帶走大部分熱量，但在刃前區仍能產生極高溫度，由于鋁合金熔點偏低，使得刃前區常常處于半熔化狀態，使工件在切削點處的強度受高溫影響大幅度下降，容易產生鋁合金零件在加工過程中形成的凸凹缺陷。因此，在精加工過程中，通常選用潤滑性能好，粘度低，冷卻性能好的煤油做切削液。在潤滑刀具的同時，及時帶走切削熱，降低刀具刃前區及零件加工面的溫度，減小零件溫度變形。綜合考慮到鋁合金材料的加工特點以及加工中振動和切削力所引起的變形，粗加工刀具材料選用硬質合金刀具YG6。由于粗加工對尺寸精度和表面粗糙度要求不高，但為了滿足后序加工定位精度要求，工藝要求表面粗糙度達到3.2。刀具角度參數：前角35°，后角10°，主偏角50°，副偏角10°，刃傾角8°，副后角6°，刀尖半徑0.5°刀桿材料為45鋼。精加工是機械加工最后一道工序，尺寸已基本趨向最終尺寸，對薄壁圓筒來說，刀具的幾何角度參數尤為重要。增大刀具主偏角，使其徑向切削力趨于0，控制了薄壁圓筒的變形;增大前角角度，使刀具更鋒利;增大后角，減少摩擦，降低表面粗糙度;為減少徑向力，避免產生振動，副偏角不宜選得太小。高速鋼外圓精車刀角度參數：前角30°，后角14°，主偏角93°，負偏角15°，刃傾角8°，副后角6°，刀尖半徑0.2°。切削用量車削粗加工時，轉速n =560r/m i n，進給量f=0.25mm/r，t=0.5mm。車削精加工時，轉速n =200r/m i n，進給量f=0.10mm/r，t=0.1mm。

五、加工效果

按照上述工藝保證過程，零件的各項指標都達到圖樣要求，工藝保證得到了批量生產的驗證，證明了其合理性。雖然鋁合金薄壁筒是加工中的難點，但是只要有針對性地對其進行工藝分析，掌握其變化規律，采取有效的工藝措施，制訂切合實際的工藝保證過程，都是可以被攻克的。合理的加工方法、裝夾方式及切削參數是保證、鋁薄壁零件尺寸加工精度的關鍵。經生產實踐證明，這組夾具結構合理，定位可靠，夾緊力均勻，整體剛度高，通用性好，而且因其輕便、靈活，切削速度提高 1倍，達到 200m /m in，單人即可輕松地操作，減輕了勞動強度，隨著切削速度的提高，還可大幅度降低切削力，改善切削條件。在生產過程中，各類筒體加工完畢后均在機床下檢測.圓度誤差穩定控制在 0.15 m 之內，同軸度小于0.05m，直線度 0.10m，一次交檢合格率大于 98%，完全達到了圖樣設計要求，提高了生產率，經濟效益十分明顯。

參考文獻：

[1] 劉守勇.機械制造工藝與機床夾具 [M ].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 魯昌國，黃宏偉.機械制造技術 [M ].大連：大連理工大學出版社，2007.

（作者單位：山東冶金機械廠有限公司）