鋁合金方形深孔的加工

申子文，馬遠斌，張震，申明儉

1．新程（營口）精密設備有限公司 遼寧營口 115009

2．沈陽儀表科學研究院 遼寧沈陽 110043

關鍵字：擺動沖刀；方形深孔；鋁合金

1 序言

方形孔的設計和應用在裝備制造業(yè)中有著不可替代的作用, 相對于圓孔而言，其加工難度大、效率低、費用高，常用加工方法有線切割、電火花、成形拉刀切削、插削以及萊洛三角形銑削加工等。

線切割法與電火花法原理上均為電蝕加工，效率低、成本高且線切割需要手動穿絲，存在加工定位誤差的問題。成形拉刀與插削法適用于鍵槽及厚壁孔加工，加工時產生的切削力較大，不適合加工薄壁孔件。萊洛三角形銑削加工法僅適用于正多邊形孔的加工，且加工后孔內壁相交處不能清根，會殘留較小的圓角。

在某型號產品加工過程中，需要在工件圓周方向加工出60處28mm×16.5mm的方形通孔，公差為±0.1mm，通孔深度為60mm，要求表面粗糙度值Ra=3.2μm，材質為AlSi7Mg鑄鋁合金，整體結構如圖1所示。

圖1 產品整體結構

2 傳統(tǒng)加工方案

結合常規(guī)加工方法及現有設備配置條件，采用線切割加工。加工前，在該工件各個方形孔的幾何中心處預鉆φ10mm圓孔，工件使用銷孔定位，逐個孔進行手工穿絲，碰絲找正。裝夾找正均存在誤差，容易對各個孔的位置度造成較大偏差，且線切割完成后，內表面形成氧化層，需鉗修去除，不易操作，加工時間長，效率低。

3 新工藝方案

針對以上問題，考慮鑄鋁合金材質硬度相對較小，在銑削加工的基礎上，設計制作可以清角的擺動沖刀，配合機床主軸的轉動和軸向進給，將R角沖削掉，以解決方孔的清角問題。加工方案如下。

1）在沖孔工序前，將60處28mm×16.5mm方形孔，使用φ10mm合金銑刀配合數控機床將其加工至圖樣尺寸，如圖2所示。

圖2 方形孔

2）使用擺動沖刀，配合導向工裝，在鏜床上沖削掉R5mm圓角。

3.1 沖刀設計

沖刀為成形刀具，考慮工件材質為鑄鋁合金，硬度較小，易于沖削，故選用W18Cr4V高速鋼為刀體材質，刀體部分大致呈棱臺狀，刀尖處設有排屑傾角，沖刀前端尺寸為28mm×16.5mm，與方孔尺寸一致，如圖3所示。沖刀在加工過程中沿機床主軸軸線運動，以刀尖端幾何中心為頂點，2α為錐角，在主軸的帶動下形成圓錐擺動，4處刀尖間斷沖削方孔的4處R角，實現清角的目的。

圖3 沖刀

圖4 刀體擺動機構

3.2 刀體擺動機構設計

刀體擺動機構如圖4所示。當機床主軸帶動偏心轉軸1及圓錐滾子軸承2轉動并提供軸向推力時，魚眼軸承4帶動沖刀8實現萬向擺動并提供沖削力。為了防止沖刀在方孔內扭轉，設計沖刀的后角與刀體按圓錐擺動錐角角度的1/2相等，均為α，即在沖刀擺動過程中刀體側面與方孔的側壁貼合，避免了刀體在擺動過程中發(fā)生扭轉。方孔在初始沖削時，在銑削后的方孔端面固定導向工裝7，以保證沖刀在初始沖削時的旋轉方向與方孔一致，工件與導向工裝的定位如圖5所示。

圖5 工件與導向工裝的定位

沖刀設計要素見式（1），設計參數見表1，擺動沖刀如圖6所示。

式中，β為偏心距（mm）；L為刀尖中心至擺動圓心距離（mm）；α為沖刀后角（°）。

表1 擺動沖刀設計參數

圖6 擺動沖刀

4 方案實施

配合彎板將工件和導向工裝固定好后，使用沈陽機床股份有限公司生產的TXP6113臥式鏜銑床進行沖削，其主軸轉速100r/min，Z軸進給量0.08mm/r。通過一次裝夾，完成60處方孔的沖削加工，工藝穩(wěn)定，加工合格率為100%，單孔加工時間＜10min，加工后成品如圖7、圖8所示。改進工藝前、后加工工時及質量效果對比見表2。

圖7 加工成品

圖8 加工成品細節(jié)

表2 改進前、后對比

5 結束語

采用預銑孔與擺動沖刀沖孔相結合的方法加工方形孔，實現了一次定位裝夾完成多孔加工，保證了各個孔的位置度要求，提高了生產效率。