鄒彥龍

（中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621900）

薄壁零件剛性差，強(qiáng)度弱，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工品質(zhì)，屬于難加工零件，且不同于其它常規(guī)零件的裝卡。在使用數(shù)控車床以來(lái)，已先后進(jìn)行了各類薄壁零件的車削加工，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)采用選用合理的切削刀具、優(yōu)化切削參數(shù)、工件的裝夾，并充分地考慮工藝問(wèn)題對(duì)零件加工品質(zhì)的影響，有效地克服薄壁零件加工過(guò)程中出現(xiàn)的變形，保證了加工精度,積累和總結(jié)了對(duì)薄壁零件的加工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 加工技術(shù)難點(diǎn)

鋁合金材料薄壁零件加工難點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：

（1）材料切削性能差

鋁合金材料塑性大，導(dǎo)致強(qiáng)烈的切削變形，從而造成在加工時(shí)，切削力和切削熱的增加；由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，使得切削區(qū)內(nèi)形成較高的切削溫度，造成刀具的劇烈磨損而失效；該材料與大多數(shù)刀具中的合金元素會(huì)發(fā)生親和反應(yīng)，使得材料黏刀嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了刀具磨損，影響了產(chǎn)品的加工品質(zhì)和加工效率。

（2）零件加工精度要求高

鋁合金材料薄壁零件是典型的薄壁弱剛性零件，尺寸和形位精度要求較高：薄壁零件口徑約200 mm、壁厚1.5 mm、型面尺寸公差要求為0.036 mm，輪廓精度0.025 mm，加上材料的難切削性，零件加工品質(zhì)的控制難度進(jìn)一步增大。

因此，鋁合金薄壁零件的加工需要解決材料難切削性的根本性問(wèn)題，并可以從切削刀具、切削參數(shù)選擇、加工工藝路線、裝夾方式等方面，解決零件加工技術(shù)難題。

2 加工技術(shù)措施

2.1 刀具材料的選擇

機(jī)械加工刀具對(duì)加工品質(zhì)具有決定性的作用。由于加工工件較薄，既要保證刀具系統(tǒng)在切削過(guò)程中具有良好的剛性，又要保證刀具不能與工件在切削過(guò)程中發(fā)生干涉。在常規(guī)的刀具材料中，高速鋼為W18Cr4V，硬質(zhì)合金是由WC、TiC、TaC、NbC等金屬碳化物與金屬結(jié)合劑燒結(jié)而成，常規(guī)的刀具硬質(zhì)涂層材料為 TiC、TiNC，與鋁合金（V5Cr5Ti）都含有性質(zhì)相近的化學(xué)組成元素。因而，在實(shí)際切削加工中，受化學(xué)親和等因素影響而表現(xiàn)出了明顯的切屑粘刀現(xiàn)象，刃口磨損較為嚴(yán)重。因此，選擇切削鋁合金的刀具材料的原則是：刀具材料或涂層材料與鋁合金的親和性要盡可能小。

根據(jù)生產(chǎn)中有關(guān)刀具的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及刀具材料性能分析，選擇了YG8、肯納K313和肯納KC5010三種材料刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，如表1所示。在加工中發(fā)現(xiàn)，YG8刀片迅速磨損鈍化，對(duì)產(chǎn)品表面造成擠壓，無(wú)法繼續(xù)有效切削；而肯納KC5010刀片的耐磨性和抗擴(kuò)散能力優(yōu)于K313刀片，其表面為TiAlN涂層，具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性，由于有較高的Al濃度，在切削加工時(shí)涂層表面會(huì)生成一層極薄的非晶態(tài)Al2O3，從而形成硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，降低了刀具與鋁合金材料的化學(xué)親和力。因此，最終選擇肯納KC5010刀具進(jìn)行加工。

表1 各刀具切削鋁合金試驗(yàn)效果

2.2 刀具參數(shù)的選擇

鋁合金薄壁零件為薄壁弱剛性零件，其加工刀具的幾何參數(shù)必須有利于形成鋒利、易散熱的切削刃。刀具應(yīng)選取較大前角γ0，減小前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形，從而減小切削力和切削熱；在切削厚度較小或加工材料較粘時(shí)，采用較大的后角α0能夠降低磨損；同時(shí)，為保證切削刃和刀頭的強(qiáng)度，切削時(shí)必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)男ń铅?，因此，刀具前、后角的選擇需綜合權(quán)衡。

通過(guò)車削試驗(yàn)，最終選擇刀片前角15°～20°、后角7°～10°，刀尖圓角r0.2，刀片槽型為大前角，刃口鋒利，前刀面進(jìn)行了拋光處理，切屑流動(dòng)性好，不容易產(chǎn)生粘接磨損，耐磨損較好。采用上述刀具幾何參數(shù)，可降低切削抗力和刀具磨損，最終達(dá)到了減少工件變形的目的，如圖1所示。

圖1 刀具幾何參數(shù)

2.3 切削參數(shù)

綜合考慮鋁合金塑性大、強(qiáng)度低的切削特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)鋁合金薄壁零件的切削加工，關(guān)鍵是必須實(shí)現(xiàn)切削速度、進(jìn)給率和切削深度的平衡。由于材料粘刀，切削采用較小轉(zhuǎn)速，零件表面的粗糙度很差，如果提升轉(zhuǎn)速，能有效降低粗糙度值，但刀具磨損加??；由于刀具刀尖圓角很小、強(qiáng)度較低，因此，在車削時(shí)應(yīng)采用小切深方案。綜合多次切削試驗(yàn)，權(quán)衡提高表面光潔度、刀具耐磨性以及切削區(qū)域溫度的控制，確定了適用于鋁合金材料薄壁零件的加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為320 r/min～380 r/min，進(jìn)給量為0.05 mm/r～0.1 mm/r，切深為 0.1 mm～0.2 mm。

另外，在鋁合金切削加工過(guò)程中，當(dāng)溫度較高時(shí)，鋁合金與氧氣充分接觸后，容易產(chǎn)生積屑瘤，冷卻潤(rùn)滑液選用煤油、機(jī)油1：1的混合液。機(jī)油的作用是潤(rùn)滑切削區(qū)域，使切削流暢，不產(chǎn)生積屑瘤，降低工件表面粗糙度，煤油是降低切削加工中的切削熱。因此，實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)緊閉數(shù)控機(jī)床門，采用切削液充分冷卻切削區(qū)域。

2.4 加工工藝過(guò)程

在精密數(shù)控車床上進(jìn)行鋁合金薄壁零件的加工，結(jié)合以往薄壁零件的加工經(jīng)驗(yàn)，裝夾上采用真空負(fù)壓吸的方式，減少裝夾變形，如圖2所示。當(dāng)車內(nèi)形面時(shí)，按工件外形面配車吸具定位面，吸附位置在工件45°左右球面處，防止裝夾變形，并在工件口部箍上橡皮圈避免工件切削顫動(dòng)。

圖2 鋁合金薄壁零件裝夾示意

在工藝路線上，采用粗—半精—精車的方式，但需嚴(yán)格控制切削余量及吃刀深度，防止工件產(chǎn)生變形，精加工順序?yàn)橄葍?nèi)后外；由于產(chǎn)品塑性變形較大，通過(guò)研磨基面，反復(fù)修整內(nèi)、外型面輪廓達(dá)到零件的尺寸精度要求；在加工外形面時(shí)，根據(jù)工件口部?jī)?nèi)圓配車定位盤(pán)止口，加工后零件口部有張口的現(xiàn)象，因此，在加工中留量測(cè)量口部外圓尺寸，掌握變形量，從而調(diào)整加工尺寸，保證零件的壁厚要求。

通過(guò)采取上述措施，能夠較好地解決鋁合金薄壁零件加工中的變形和表面品質(zhì)問(wèn)題，產(chǎn)品的品質(zhì)得到有效保證。

2.5 加工效果

通過(guò)優(yōu)選刀具材料、刀具幾何參數(shù)，并通過(guò)切削試驗(yàn)優(yōu)化切削參數(shù)，結(jié)合合理的工藝方法及冷卻、潤(rùn)滑措施，完成了鋁合金材料薄壁零件的車削加工。產(chǎn)品的尺寸精度、形位公差及表面品質(zhì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)鋁合金材料薄壁零件的加工，進(jìn)一步總結(jié)摸索出了產(chǎn)品的加工方法及保證產(chǎn)品品質(zhì)的有效控制措施。對(duì)鋁合金材料的切削性能、刀具的選擇、切削參數(shù)的優(yōu)化及加工過(guò)程的安全控制措施有了充分的認(rèn)識(shí)，解決了加工過(guò)程中的讓刀和振動(dòng)現(xiàn)象，可為類似產(chǎn)品的加工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。