鋁合金箱體高倍徑孔系的低速精密加工技巧

陳 雪，于慶峰，張紅燕

(1.包頭職業技術學院 數控技術系，內蒙古 包頭 014030；2.內蒙古第一機械集團公司 第四分公司，內蒙古 包頭 014030)

目前，工程機械設備中的傳動系統大多采用液力機械綜合傳動裝置，液力機械綜合傳動箱體是傳動系統中的核心零件，由于要實現各子系統功能的集成應用，其結構均十分復雜，內部分布的大量高倍徑精密孔系設計精度高、加工難度大[1]。

1 鋁合金箱體零件的結構特點和加工難點

液力機械綜合傳動箱體采用力學性能好、耐蝕性強的鋁合金材料，由于該材料的強度和硬度相對較低，塑性較小，對刀具磨損小，熱導率較高，使切削溫度較低，所以它的切削加工性能比較好，屬于易加工材料，一般適用于較高切削速度加工[2]。但是由于該材料熔點較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓下，切削界面摩擦力很大，容易粘刀，不易獲得較高的表面粗糙度。

液力機械綜合傳動箱體中存在的大量懸深孔系，如直徑在為40 mm以下孔，其孔的深度/孔的直徑(L/D)大于10倍以上，此類孔系的表面粗糙度要求較高：大多約為Ra1.6 μm，尺寸精度范圍約為IT6～IT8級，公差范圍大多在0～0.013 mm之內，幾何公差的范圍約為0.03 mm/500 mm(見圖1)。由于孔懸深大，內部結構復雜，在加工過程中又受箱體結構的限制，無法通過增加刀桿直徑來提高刀具剛度，也不能通過增加浮動定心裝置來增加刀桿的穩定性。因此在實際加工中，刀具懸伸長度長，剛性差，易發生振動，加工表面會產生振痕，從而造成零件尺寸和表面粗糙度有超差的現象。并且隨著主軸轉速n的升高，振痕也會增加，零件尺寸超差現象就會越嚴重，甚至造成了零件的報廢，從而無法滿足產品質量要求。

a) 實體圖

b) 建模圖

由于液力機械綜合傳動箱體的毛坯鑄造和加工周期較長，一般約為1個月，而孔系的精加工往往是最后一道工序，一旦報廢，相應與箱體配合加工的左/右側蓋、前/后傳動箱體都會報廢，造成直接經濟損失巨大。為了挽回和減少經濟損失，保證生產任務按進度要求順利進行，在長期從事切削加工工作的基礎上，采用低速切削法對切削參數、切削力等切削要素進行分析計算并實際驗證，結果滿足了產品的設計和加工要求，從而找到了實現綜合傳動箱體高倍徑孔系精密加工的方法。

2 國內外行業對比

目前，鋁合金液力機械綜合傳動箱體的加工對刀具具有很高的要求，刀具在具有高性價比的同時，還應滿足高質量加工需求。國內外行業內一般采用浮動鏜刀、高精度液壓鉸刀、珩磨加工和坐標磨削加工。但采用上述方法，浮動鏜刀和高精度液壓鉸刀價格昂貴，多數都在十萬元以上；采用珩磨和坐標磨方式效率極低，且無法在箱體加工中實現[3]。

3 技術原理及特點

3.1 技術原理

鋁合金箱體高倍徑孔系低速精密加工法主要依據是切削加工過程中隨著力臂增加，切削力變大；旋轉速度越低，離心力越小，軸向切削力大于離心力，從而保證刀具位置不變?？梢酝ㄟ^在加工過程中觀察材料受力變形和形成切屑的形式進行分析[4]。具體的技術原理如下。

1)刀具的選擇：最小鏜削范圍內的刀具應盡可能保證刀桿具有好的剛性。例如，加工φ30 mm的孔，如有21～31 mm和30～40 mm兩種刀具規格可供選用，此時應選用30～40 mm的刀具。

2)孔粗加工時，應預留余量1～1.5 mm。

3)切削參數設置如下：主軸轉速n=10～15 r/min；每齒進給量fz=0.05～0.1 mm/min；背吃刀量ap=0.05～0.015 mm。

4)在切削過程中通過“聽”刀具切削的聲音，來判斷刀具的切削力能否滿足產品要求。

5)通過機床面板上主軸倍率開關，可隨時調整主軸轉速n和進給量f的大小，來控制孔的尺寸精度和表面粗糙度。

6)加工過程中使用冷卻液，可有效防止積屑瘤的產生。

3.2 技術特點

3.2.1 普及性

應用普通接桿式鏜刀進行高倍徑孔的加工，具有極大的普及性，在產品研制與小批量生產中，減少了定制專用刀具的時間，縮短了產品制造周期。由于箱體孔系的結構特點，浮動式鏜刀造價昂貴，不適用于小批量、多品種的生產模式，而且根據不同孔的尺寸要求，需專門定制相應刀具，嚴重影響產品的研制生產，不符合實際需求[5]。

3.2.2 創新性

改變了傳統鋁合金箱體加工思路，針對高倍徑孔的加工要求，提出以低轉速、小進給量、小背吃刀量進行高倍徑孔的加工，利用低速精密切削法，能夠適應多品種、變批量、產研并重的生產要求，刀具費用的投入不大，可以節約大量數控刀具費用和工藝準備時間，同時可節約大量的工具工裝工藝準備時間，通過推廣應用可實現應用普通鏜刀提高加工質量的效果，節約了生產成本，提高了產品的研制效率[6]。

4 技術關鍵及解決效果

4.1 低轉速的鋁合金箱體深孔加工

加工深孔時隨著轉速的增高，振痕也越大，超差現象越嚴重，無法滿足產品質量要求，造成了零件的報廢[7]。針對此類問題，開展了低轉速的高倍徑孔加工研究，應用普通接桿式鏜刀，實現高倍徑孔加工的光潔度提升，從而保證此類孔的加工精度符合設計要求。

4.2 高倍徑孔加工參數優化

φ30 mm的高倍徑孔為例，有21～31 mm和30～40 mm兩種刀具規格可供選用，以最小鏜削范圍內的刀具來保證刀桿具有好的剛性，即選用30～40 mm規格的刀具。粗加工后該孔應預留1～1.5 mm余量，方便精鏜孔時調整。通過機床面板上主軸倍率開關調整主軸轉速和進給量大小，主軸轉速應控制在約15 r/min，每齒進給量選擇0.05～0.1 mm/min。背吃刀量為0.05～0.015 mm，保證以低轉速、小進給量、小背吃刀量進行深孔的加工。經過對刀具切削參數的調整優化，并在切削過程中通過“聽”刀具切削的聲音，控制零件的尺寸精度和表面粗糙度。在加工完成后，通過對孔的尺寸精度及表面粗糙度進行檢測，找到最優的高倍徑孔的切削參數，實現高倍徑孔的精密加工。加工刀具如圖2所示。

圖2 加工刀具

5 創新點

鋁合金箱體高倍徑孔系精密加工法改變了采用高速加工鋁合金的傳統認識，針對此類鋁合金材料的低延展性和高倍徑(8～10倍徑)深孔加工中切削力、離心力隨主軸旋轉增大而增大的特點，提出并驗證了此類高倍徑孔系的精密加工方法，并已申請了發明專利“一種高倍徑孔系加工方法”，其技術創新性主要表現在如下方面：1)低速切削替代高速切削，改變了人們對鋁合金材料加工的傳統認識，加工技術具有創新性；2)普通鏜孔刀具替代浮動或液壓等高精密刀具，實現高倍徑孔系的精密加工，加工思路具有開創性。

6 經濟及社會效益

高倍徑孔系在綜合傳動箱體中大量存在，高倍徑孔系低速精密加工技術現已在企業中得到推廣，應用在多項工程車輛以及其他科研產品綜合傳動箱體等零件孔系的精密加工中。下一步計劃將此方法進行詳細凝練總結，制作成操作手冊，形成切削加工經驗知識，在數控操作人員中廣泛推廣，從而實現產品加工質量的整體提升[8]。

鋁合金箱體高倍徑孔系低速精密加工法的采用為企業帶來了良好的經濟和社會效益，具體表現在如下幾方面。

1)縮短了生產準備周期，保證了生產進度。

2)緩解了企業生產窄口，提高了公司聲譽。

3)提高了產品質量和產品穩定性，降低了產品廢品率和返修率。本項目實施前，傳動箱體的平均返修率為15%，平均返修時間為5 h，數控鏜銑床的設備工時費用為900元/h，單臺箱體可減少返修費用為5 h×900元/h=4 500元，按1年生產300臺綜合傳動箱體計算，共可減少返修費用300臺×15%×4 500元/臺=202 500元(20.25萬元)。

4)降低了刀具成本，以某型號車輛綜合傳動箱體為例：每臺箱體10倍徑以上懸深孔有9種規格，采用浮動或液壓刀具，每種規格刀具平均價格為15萬元/把，若采用普通鏜刀則費用為0.8萬元/把，節約成本(15萬元-0.8萬元)×9種=127.8萬元。

綜上所述，共計節約成本20.25萬元+127.8萬元=148.05萬元。

7 結語

本文改變傳統鋁合金箱體加工思路，采用低速切削替代高速切削，對切削參數、切削力等切削要素進行分析計算并實際驗證，普通鏜孔刀具替代浮動或液壓等高精密刀具，無需設計新的加工裝置，保證了加工精度，滿足產品的設計和加工要求，實現高倍徑孔系的精密加工。在產品研制與小批量生產中，應用普通接桿式鏜刀進行高倍徑孔的加工，減少了定制專用刀具的時間，縮短了產品制造周期，節約了生產成本，提高了產品的研制效率[9-10]。