■西安北方光電科技防務(wù)有限公司 （陜西 710043） 王文仲 竇鑫紅 王 薇 劉 濤

超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工工藝

■西安北方光電科技防務(wù)有限公司 （陜西 710043） 王文仲 竇鑫紅 王 薇 劉 濤

摘要：針對(duì)超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過(guò)程易變形的問(wèn)題，從材料、溫度、零件裝夾、過(guò)程控制及熱處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出合理的工藝方案，采取有效、可靠的措施，尤其是設(shè)計(jì)和制造合理的車夾具，解決了殼體加工變形難題，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

在機(jī)械制造業(yè)中，超硬鋁材料的密度為2.7g/cm3，屬于輕合金，比強(qiáng)度高、比模量高，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異。超硬鋁合金的外觀質(zhì)量好，具有良好的韌性及塑性，進(jìn)行淬火、時(shí)效處理時(shí)可使合金強(qiáng)化，具有高強(qiáng)度、高耐磨性，高溫下變形小，成為國(guó)防建設(shè)中重要的結(jié)構(gòu)件。

超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過(guò)程中的變形一直困擾著技術(shù)人員及操作者。變形使此類工件廢品率及加工成本居高不下，而引起變形的原因又很多。

1. 殼體加工中存在的問(wèn)題分析

如圖1所示的結(jié)構(gòu)為高精度薄壁殼體，材料為超硬鋁，孔徑和外圓尺寸都＞110mm，跳動(dòng)為0.02～0.03mm，壁厚為2mm。

此類零件加工有3點(diǎn)難度：①如何控制超硬鋁材料自身的變形問(wèn)題。②如何保證工件的加工尺寸精度及形位公差要求。③如何控制大直徑薄壁加工的變形問(wèn)題。

目前影響工件加工質(zhì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：

（1）超硬鋁材料自身的影響。材料自身狀態(tài)會(huì)影響工件的加工質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)加工中發(fā)現(xiàn)，同種型號(hào)不同批次的材料對(duì)工件加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。尤其是對(duì)于薄壁易變形工件來(lái)說(shuō)，來(lái)料狀態(tài)的穩(wěn)定性很重要。如果材料自身不穩(wěn)定，就會(huì)在加工的各個(gè)階段逐漸釋放內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生變形，甚至?xí)⑦@種變形帶到產(chǎn)品的使用狀態(tài)中。

（2）溫度的影響。對(duì)于高精度薄壁工件來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)加工質(zhì)量的影響也是不可忽視的因素。尤其是在精加工階段壁很薄的時(shí)候，受溫度變化影響較大。這里的溫度變化包含加工后工件自身溫度變化和環(huán)境溫度變化，相比較前者對(duì)工件加工尺寸精度影響更大。實(shí)際加工中在精車階段，工件剛加工完測(cè)得φ130mm基準(zhǔn)孔尺寸與放置24h后測(cè)得尺寸有差異，大致在0.02mm左右。此差異主要是由加工后工件的溫度變化引起的。試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度變化10℃，φ130mm基準(zhǔn)孔尺寸大約變化0.01mm左右。因此要將溫度變化的綜合因素考慮到工件加工和測(cè)量過(guò)程中去，以保證工件最終加工質(zhì)量。

圖1　超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

（3）工件裝夾的影響。因工件壁薄，在夾（壓）緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工

件的尺寸精度和形狀精度。加工過(guò)程中因裝夾不當(dāng)而造成的工件變形情況大致有以下幾類：①薄壁工件使用鋼爪裝夾，夾緊力過(guò)大，使零件產(chǎn)生三點(diǎn)變形，即零件回轉(zhuǎn)面上低點(diǎn)沿軸向呈三個(gè)帶狀區(qū)域分布，且三個(gè)區(qū)域大致成120°夾角。此類變形在剛結(jié)束加工時(shí)即可測(cè)出，且較難消除，若不采取特別措施，往往會(huì)影響整個(gè)后續(xù)加工過(guò)程。②加工中裝夾定位基準(zhǔn)狀態(tài)不好，如定位面和壓緊面不平行，或壓板未處于自然狀態(tài)時(shí)壓緊等，均會(huì)造成工件變形。此類變形在剛結(jié)束加工時(shí)未明顯顯露，卸下工件測(cè)量變形量可能很小，但工件放置幾小時(shí)后變形量較大，放置24h后，變形量趨于穩(wěn)定。③裝夾時(shí)軸向壓緊力過(guò)大也會(huì)造成零件因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)力變形。

（4）加工過(guò)程的影響。在加工過(guò)程中導(dǎo)致工件變形的因素很多，常見(jiàn)的大致有：①因工件較薄，切削熱會(huì)引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。②因工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工部位限制，裝夾后零件懸伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度等。③切削用量的選用。④加工流程和加工內(nèi)容的工藝安排也是影響零件加工變形的因素之一。如盡量減少精加工內(nèi)容和加工余量，精度要求不高的部位可安排在粗加工和半精加工階段完成等，均可對(duì)工件加工變形起到控制作用。

（5）熱處理變形。金屬零件在熱處理過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形。除了正常狀態(tài)的熱處理變形之外，同時(shí)要重點(diǎn)控制非正常狀態(tài)的熱處理變形。在工件實(shí)際熱處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)因零件進(jìn)爐時(shí)的擺放方式不同，對(duì)零件變形的影響也不同。因零件批量大，爐內(nèi)放置面積有限，為了保證生產(chǎn)進(jìn)度，在熱處理過(guò)程中往往會(huì)將零件摞成兩到三層放置加熱。而最底層零件在加熱過(guò)程中始終處于受力狀態(tài)，經(jīng)熱處理后組織應(yīng)力不均往往變形最大，且在之后的加工過(guò)程中不斷有應(yīng)力釋放，造成加工狀態(tài)的不穩(wěn)定。

2. 殼體加工工藝方案

通過(guò)總結(jié)此類材料結(jié)構(gòu)件的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，嘗試和進(jìn)行許多對(duì)比切削試驗(yàn)，編制滿足超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工精度要求的工藝方案為：鍛造毛坯→粗車毛坯→淬火熱處理→粗車→冷熱循環(huán)→半精車→時(shí)效去應(yīng)力→車定位和壓緊基準(zhǔn)→精車內(nèi)部工序，留余量0.5mm→精車外部工序，留余量0.5mm→精車內(nèi)部工序→精車外部工序→低溫?zé)崽幚怼棥?/p>

加工流程分成粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段，并安排輔助加工基準(zhǔn)工序。毛坯粗車后，進(jìn)行淬火熱處理，使材料重新結(jié)晶，組織恢復(fù)平衡，硬度提高，滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度需求。粗車后進(jìn)行冷熱循環(huán)穩(wěn)定材料組織，控制半精加工過(guò)程中的變形量。半精車后再進(jìn)行一次時(shí)效去應(yīng)力，消除切削過(guò)程產(chǎn)生的變形。最后精車后進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，進(jìn)一步穩(wěn)定材料內(nèi)部組織和尺寸精度要求較高的部位，滿足產(chǎn)品裝配長(zhǎng)期使用要求。

3. 加工過(guò)程中采取的具體措施

（1）控制超硬鋁材料自身的收縮量。由于工件結(jié)構(gòu)以及自身材料限制，在實(shí)際加工工件過(guò)程中自身變形量較大，往往車孔不能完全按圖樣要求公差尺寸大小控制，要摸索出具體零件材料的變形量。通過(guò)對(duì)此類超硬鋁高精度殼體長(zhǎng)時(shí)間觀察、測(cè)量和摸索，基準(zhǔn)孔φ130mm、φ115mm自身收縮量為0.015～0.020mm，因此實(shí)際加工和測(cè)量一定要考慮材料自身收縮量補(bǔ)償，這樣才能保證零件的加工質(zhì)量。

（2）機(jī)床的熱平衡。機(jī)床每天加工之前空轉(zhuǎn)30～60min，保證機(jī)床達(dá)到熱平衡，在此狀態(tài)下進(jìn)行精車工序，零件加工質(zhì)量才能穩(wěn)定。

（3）優(yōu)化走刀路徑。車削孔φ130mm時(shí)，沿徑向孔圓柱度差。針對(duì)此現(xiàn)象，把精加工余量0.5mm分成兩道加工：第一次進(jìn)刀去除0.3mm，停機(jī)松開(kāi)壓板，把零件旋轉(zhuǎn)90°，旋緊壓板開(kāi)機(jī)；第二次進(jìn)刀去除0.2mm，消除第一次進(jìn)刀加工部分圓柱度誤差。車孔φ115mm時(shí)，把精加工余量0.5mm分成三道加工：第一次進(jìn)刀去除0.3mm，停機(jī)松開(kāi)壓板；把零件旋轉(zhuǎn)90°，旋緊壓板開(kāi)機(jī)；第二次進(jìn)刀去除0.1mm，消除第一次進(jìn)刀加工部分圓柱度誤差，停機(jī)倒換壓板，再完成外部加工內(nèi)容，停機(jī)倒換壓板；第三次進(jìn)刀去除0.1mm，保證φ115mm完工尺寸要求。

（4）合理選擇切削參數(shù)，在有效保證工件加工精度的情況下，提高加工效率。根據(jù)經(jīng)

驗(yàn)及加工實(shí)踐，精加工時(shí)切削轉(zhuǎn)速n=500r/min，進(jìn)給量f=0.06～0.10mm/r，零件越薄進(jìn)給量要越小，背吃刀量ap=0.05～0.10mm。車孔φ115mm、φ130mm切削用量為ap=0.05mm，f=0.1mm/r，n=500r/min，φ115mm、φ130mm孔圓柱度控制在0.01～0.03mm之間，控制零件變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）選擇切削液。采用濕加工降低切削區(qū)溫度，提高表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。一般應(yīng)選用極壓乳化液來(lái)冷卻，流量應(yīng)充足。充分使用切削液進(jìn)行冷卻，防止零件熱變形，防止熱量集中。

（6）設(shè)計(jì)合理的夾具。如圖2所示，工件3（雙點(diǎn)劃線處）用外圓與臺(tái)階端面和夾具體4的孔與端面相配合定位，大螺母5通過(guò)螺紋與夾具體4聯(lián)接，內(nèi)端面壓緊工件外端面，對(duì)工件不產(chǎn)生徑向壓力，克服徑向力對(duì)工件產(chǎn)生變形。圓盤2通過(guò)螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過(guò)3個(gè)螺釘圓盤2與車床花盤聯(lián)接成整體。一次裝夾零件，將零件孔、內(nèi)端面一次加工而成，從而達(dá)到保證工件加工基準(zhǔn)面的精度要求。

如圖3所示，工件5（雙點(diǎn)劃線處）用孔與大端面和夾具體4的外圓與端面相配合定位，壓板6通過(guò)螺釘與夾具體4聯(lián)接，端面壓在內(nèi)孔的端面上。大螺母3通過(guò)螺紋與夾具體4聯(lián)接，內(nèi)端面壓緊工件臺(tái)階端面，對(duì)工件不產(chǎn)生徑向壓力。圓盤2通過(guò)螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過(guò)3個(gè)螺釘圓盤2與車床花盤聯(lián)接成整體。

具體加工步驟為：①拆掉壓板6，旋緊大螺母3壓緊臺(tái)階端面，車端面及孔φ115mm（留余量0.2mm）。②停機(jī)拆掉大螺母3，把壓板6通過(guò)螺釘壓緊孔內(nèi)端面，車外圓、螺紋及錐度。③停機(jī)拆掉壓板6，把大螺母3使用螺紋與夾具體4聯(lián)接，并壓緊孔內(nèi)端面，車端面及孔φ115mm。這樣通過(guò)一次裝夾零件、倒換壓板的方式，將工件外圓、錐度、螺紋、孔及端面一次加工而成，從而達(dá)到保證工件的尺寸精度和形位公差要求。

圖2　精車殼體內(nèi)部工序使用的車夾具結(jié)構(gòu)

圖3　精車殼體外部工序使用的車夾具結(jié)構(gòu)

4. 結(jié)語(yǔ)

本工藝有效控制了工件的變形量，解決了此類工件的加工變形難題，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求；實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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專家點(diǎn)評(píng)

文章的創(chuàng)新性很好，薄壁套采用軸向壓緊的裝夾方法是加工工藝常識(shí)，但作者設(shè)計(jì)的工裝夾具能夠在工件的內(nèi)孔和外圓加工中均做到軸向壓緊，解決生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。

收稿日期：（20141008）