0 引言
隨著時(shí)代進(jìn)步, 零件加工向著大型化、微型化兩個(gè)不同的方向發(fā)展, 而且精度要求比較嚴(yán)格。對(duì)于大型件的加工, 采用原有的技術(shù), 難以保證零件的精度要求。本文針對(duì)大型鑄造鋁合金薄壁件加工, 提出相應(yīng)技術(shù)措施, 較好地解決了生產(chǎn)中存在的問題。產(chǎn)品為鋁合金零件, 直徑為 380mm 或534. 5mm, 長(zhǎng)度從700mm 到1 370mm, 壁厚為4. 2+ 0. 5mm, 內(nèi)外形尺寸公差為0. 02mm～0. 14mm, 槽與軸線平行度要求≤0. 02mm, 內(nèi)外各機(jī)加尺寸同軸度≤ 0. 06mm, 外形有大小不等的若干孔槽。工件尺寸大, 剛性差, 精度高, 機(jī)加難度大。可借鑒的技術(shù)手段缺乏。本文就如何保證該類零件機(jī)加的精度而應(yīng)采用的技術(shù)做了詳細(xì)闡述。
1 壁厚精度的控制
該類零件內(nèi)形均為非加工面, 要求直接鑄成, 機(jī)加后要求壁厚均勻, 任測(cè)四條母線72 點(diǎn), 每條母線壁厚均值為4. 2+ 0. 5mm, 各檢測(cè)點(diǎn)在4. 2+ 0. 8- 0. 2范圍內(nèi), 任意母線壁厚均差值≤0. 5mm。內(nèi)形為非加工面, 要保證壁厚均勻, 機(jī)加時(shí)就需要以內(nèi)形定位、找正, 為此, 在工藝中提出鏜床二橫截面16 點(diǎn)找正法及工序間測(cè)壁厚二次微調(diào)基準(zhǔn)孔中心法, 實(shí)踐證明這兩種辦法結(jié)合在一起可基本上保證該類零件的壁厚均勻。
1. 1 二橫截面16 點(diǎn)找正法
圖1 所示為其中一橫截面的8 點(diǎn)找正圖, 要求二橫截面上的16 點(diǎn)應(yīng)在同一個(gè)圓柱面上, 達(dá)到目的后兩端制基準(zhǔn)孔。車工以工藝基準(zhǔn)孔為基準(zhǔn)加工外圓, 然后在外圓進(jìn)行8 條母線測(cè)壁厚, 根據(jù)實(shí)測(cè)壁厚值, 二次上鏜床調(diào)整兩端工藝基準(zhǔn)孔的位置。
因鏜床只能沿x 、y 方向移動(dòng), 在A 、C、E、G 點(diǎn)出現(xiàn)薄點(diǎn)時(shí), 坐標(biāo)直接向薄點(diǎn)移動(dòng)即可, 移動(dòng)量為相對(duì)點(diǎn)壁厚差的1/ 2。如在B、D、F、H 點(diǎn)出現(xiàn)薄點(diǎn), 需計(jì)算出薄點(diǎn)在x 、y 坐標(biāo)上的分量疊加值, 然后按x 、y坐標(biāo)上的矢量和移動(dòng)坐標(biāo)。
1. 2 內(nèi)定心制中心孔切邊工藝
用二橫截面16 點(diǎn)找正法時(shí), 為提高找正精度, 兩個(gè)找正橫截面必須盡量遠(yuǎn)一點(diǎn), 但對(duì)于一端封閉一端開口的殼體, 運(yùn)用這種辦法找正精度差( 遠(yuǎn)截面觀察表十分不方便) 、效率底, 流線型外形裝夾也不方便。為此, 設(shè)計(jì)制造自定心制中心孔及切邊工裝, 比鏜工找正提高效率8 倍以上, 且夾具定心精度高于鏜工找正精度, 可省一道鏜工工序。
殼體制中心孔及切邊工藝簡(jiǎn)圖見圖2, 定位塊6以殼體零件小端面內(nèi)曲面定位, 大端以三爪定位。使用時(shí)先用立車縱向刀桿給殼體一定壓力, 確保定位塊6 實(shí)施定位的前提下, 再用三爪卡盤3 夾緊工件大端內(nèi)孔, 然后制中心孔, 切邊。使用夾具前應(yīng)用百分表找正定位塊及三爪卡盤的定位部, 保證跳動(dòng)量小于2mm。橡膠墊4 可在縱向刀桿下壓時(shí)起緩沖作用。
2 機(jī)加中變形控制
大型鑄造鋁合金薄壁件的找正、定位是精密加工的前提, 為保證大型薄壁件的精度, 還需要控制在機(jī)加中的變形問題, 否則難以保證零件的精度。為了有效控制機(jī)加過程中的變形, 還應(yīng)從工序、熱處理、夾緊力、切削參數(shù)等方面進(jìn)行合理選擇。
2. 1 合理安排工序
為防止大型薄壁件變形問題, 必須合理安排粗、半精、精加工及熱處理工序。大型鋁合金薄壁件在機(jī)加分廠的周轉(zhuǎn)工序都在20 道左右, 通過合理安排工序等措施, 有效地把變形問題控制在較小的范圍內(nèi)。
2. 2 熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化及合理的尾座壓力
原粗加工及半精加工后都有熱處理退火去應(yīng)力工序, 原退火工藝參數(shù)為150℃- 2h。為檢驗(yàn)該參數(shù)是不是最佳參數(shù), 分別在儀器倉(cāng)殼體及后段上進(jìn)行熱處理子樣分組試驗(yàn), 兩種零件子樣各分四組, 按不同參數(shù)進(jìn)行熱處理, 四組熱處理參數(shù)分別為150℃- 2h, 150℃- 3h, 150℃- 4h, 150℃- 2h 連續(xù)兩次, 發(fā)現(xiàn)第四種方案退火效果最好, 于是加工正樣時(shí)把該參數(shù)落實(shí)到工藝中, 工件質(zhì)量具有明顯的改觀。
在正樣加工中, 發(fā)現(xiàn)“中段”殼體精車后變形嚴(yán)重超差( 變形量達(dá)0. 4mm) 。經(jīng)過認(rèn)真分析, 認(rèn)為可能原因有三個(gè): ① 工序間余量需調(diào)整; ② 夾具與工件間隙需調(diào)整; ③ 尾座壓力需調(diào)整。于是在鑄造廢品件上做工藝試驗(yàn), 經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 尾座壓力不合理是造成變形超差的主要因素。調(diào)整尾座壓力后該工件在本工序達(dá)到100%合格。
2. 3 控制夾緊力對(duì)變形的影響
薄殼體件易在夾緊力作用下產(chǎn)生變形, 所以這類零件加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制夾緊力的作用點(diǎn)及夾緊力的大小。我們將薄壁件的鏜孔夾具夾緊力作用點(diǎn)全部放在加強(qiáng)筋部位, 且離孔口加工部≥200mm, 以把夾緊力對(duì)變形的影響控制到最小。
為保證工件在夾緊力的作用下引起的變形不致引起加工尺寸超差, 加壓時(shí)可在易變形的待加工部抵百分表, 使加壓時(shí)變形的指示值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該部機(jī)加公差值。
對(duì)夾緊力大小的要求應(yīng)是在保證夾緊可靠的情況下夾緊力越小越好, 并保證夾緊力的均衡。尾段殼體的四翼板對(duì)稱度要求小于0. 15mm, 開始加工時(shí)經(jīng)常發(fā)生零件對(duì)稱度超差, 有時(shí)不對(duì)稱度達(dá)0. 4mm ～0. 5mm ( 該件精加工使用機(jī)床為DMU 125P) , 經(jīng)過分析認(rèn)為是夾緊力過大引起零件變形所致, 減少夾緊力后避免了對(duì)稱度超差的現(xiàn)象發(fā)生。
為減少因操作夾緊的人為因素造成殼體零件變形, 對(duì)夾緊力比較敏感的易變形工序, 全部配置力矩扳手, 比較有效地控制了夾緊力對(duì)變形的影響。
2. 4 反復(fù)多層切削法
從理論上說, 零件上去掉任何一層, 金屬因應(yīng)力的重新分布都會(huì)發(fā)生變形。對(duì)剛性大的工件, 由此引起的變形微乎其微, 可不必去考慮。但對(duì)于易變形的薄殼體件影響很大, 必須在工藝上采取措施予以消除。后段殼體楔環(huán)槽使用C630 車床加工難度較大,加工過程中經(jīng)常產(chǎn)生變形超差問題, 為此采用了“分層切削”的加工這一原理可以廣泛用于各種殼體的精加工工序,使因切削引起的零件內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形得到有效的控制。
2. 5 切削參數(shù)及刀具角度對(duì)變形的影響及控制
2. 5. 1 選擇合理的切削三要素
( 1) 選用較小的切削深度: 精加工時(shí)切削深度t=0. 1mm～0. 2mm。
( 2) 選用較大的切削速度: 精車工序因考慮殼體本身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱, 轉(zhuǎn)速高時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的動(dòng)不平衡, 所以切削速度不能太大, 精車時(shí)殼體轉(zhuǎn)速為200r / min～120r/ min。較大的切削速度主要指銑加工而言, 銑加工時(shí)v = 250m/ min 以上( 相當(dāng)于10 銑刀8 000r/min 以上) 。切削速度較大時(shí)產(chǎn)生的切削熱雖然較多, 但切削熱絕大部分被切屑帶走, 傳給工件的很少( 通俗地說, 因切削速度很高切削熱還沒來得及傳給工件就被切屑帶走) , 故有利于減少殼體變形。
( 3) 選用適中的單刃走刀量f z : f z 受表面粗糙度的限制, 走刀量f z 與表面粗糙度的關(guān)系見圖3。表面粗糙度Ra 為:
2. 5. 2 選用合理的刀具角度
選用較小的刀尖角可減少?gòu)较蛄?span>, 精車時(shí)取刀尖角為30°。刀尖半徑R 增大, 徑向力將增大, 但R 太小易崩刃, 因此刀尖半徑應(yīng)適中, 精車時(shí)取R= 0. 4mm～0. 8mm。采用大前角( r= 30°)制成小的刃口半徑,即盡量尖銳。
進(jìn)行微量切削時(shí)刃口半徑和最小極限加工深度見圖4。刃口圓弧上每一點(diǎn)的切削力都可分解成水平分力P z 和垂直分力Py , 并且圓弧上各點(diǎn)的水平分力與垂直分力的比值是變化的。但在半徑為的刃口圓弧上總能找到一點(diǎn)G, 在G 點(diǎn)恰好P zi= P yi, G 點(diǎn)即為切屑與金屬基體的分離點(diǎn)( 擠壓、拉斷) , G 點(diǎn)上的金屬可被切去。
通過公式推導(dǎo), 最小極限加工深度amin為[ 1] :
amin= 0. 1 。
G 點(diǎn)以下的金屬將被擠壓留在工件表面上。刃口半徑越大, 被擠壓的金屬厚度越大( 成正比) , 形成的擠壓力也越大, 越易引起工件變形。所以鑄造鋁合金殼體加工中為減少變形, 要求刀具具有小的刃口圓弧半徑。
為保證刃口半徑盡量小, 所以切削鋁合金的刀片一般不進(jìn)行化學(xué)氣相沉積( CVD) 或物理氣相沉積 ( PVD) 。這是由于沉積過程中會(huì)增大刃口半徑, 即刃口的鋒利性降低。
涂層刀具不宜用于一些高精度特薄切削層的加工, 這是因?yàn)橥繉雍蟮毒叩娜锌阝g圓半徑較大, 對(duì)工件壓力也較大。
3 結(jié)論
針對(duì)大型薄壁件綜合運(yùn)用上述工藝技術(shù)進(jìn)行加工, 對(duì)加工件檢驗(yàn), 對(duì)應(yīng)母線的壁厚均值差達(dá)到了0. 08mm, 四條母線的壁厚均值差為0. 26mm, 高于鏜床找正精度, 殼體的口部圓度可控制在0. 02mm 以內(nèi), 滿足高精度的工藝要求。殼體內(nèi)外同軸度可達(dá)到0. 02mm 以內(nèi), 也使殼體在總裝過程中容易進(jìn)行。本文解決了大型薄壁件加工中出現(xiàn)的技術(shù)問題,為相關(guān)高精度薄壁件的加工提供了具體思路和措施。
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