陳殿賀, 李 巍

(沈陽(yáng)鑄造研究所 機(jī)械加工中心, 沈陽(yáng) 110022)

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鋁合金薄壁鑄件殼體機(jī)加工工藝研究

陳殿賀, 李 巍

(沈陽(yáng)鑄造研究所 機(jī)械加工中心, 沈陽(yáng) 110022)

鋁合金薄壁鑄件殼體在航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其加工性能好,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬度低、剛性差、加工時(shí)易變形、加工質(zhì)量難以控制,因此鋁合金薄壁殼體的加工一直是機(jī)械加工的一個(gè)難點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題,首先對(duì)殘余應(yīng)力、刀具角度、工件裝夾、零件材料這些影響其變形的主要因素進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明和分析;然后針對(duì)這些變形因素,提出加工工藝要求。主要包括:對(duì)加工刀具及其軌跡進(jìn)行優(yōu)化,以提高加工效率改善加工質(zhì)量,選則合適的刀具材料,增大刀具前角、后角,減少切削時(shí)刀具與工件之間產(chǎn)生的摩擦力及切削應(yīng)力;利用輔助設(shè)施、分序過(guò)程的間隙進(jìn)行應(yīng)力適放以減少加工過(guò)程造成的變形;卡具的優(yōu)化,與零件面接觸、受力均勻、避免變形;精車三要素切削深度、速度、走刀量的限定。采用以上工藝加工,可有效減少鋁合金薄壁殼體變形,從而滿足設(shè)計(jì)要求。

切削參數(shù); 工藝優(yōu)化; 變形控制; 公差要求

0 引 言

鋁合金薄壁殼體在各個(gè)行業(yè)中都有廣泛應(yīng)用,如汽車、通訊、各種儀器設(shè)備外殼、航海等[1-4]。在航空、航天領(lǐng)域其指標(biāo)要求更高。本論文依托航天某殼體(材質(zhì)是鑄鋁ZL114)是航天某產(chǎn)品重要部件之一,用戶對(duì)材料的性能、尺寸、表面質(zhì)量及形位公差要求非常嚴(yán)格,經(jīng)過(guò)細(xì)致的共同檢驗(yàn)達(dá)到零件要求才能簽收。所論述的殼體機(jī)械加工完的厚度3±0.15、圓度0.1,單從表面看是很好加工的,可是要想保證殼體的厚度、圓度加工是有一定的難度,通過(guò)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行機(jī)械加工分析與實(shí)現(xiàn),提出鋁合金薄壁件機(jī)械加工工藝,在該項(xiàng)目中生產(chǎn)得到充分驗(yàn)證現(xiàn)已批量生產(chǎn)。

1 薄壁鋁合金鑄件加工變形因素分析

薄壁鋁合金鑄件在機(jī)械加工中發(fā)生變形的原因很多,與毛坯的材料、產(chǎn)品的幾何形狀、及生產(chǎn)條件都有關(guān)。這里以T6狀態(tài)的ZL114殼體坯料為例,主要影響因素如下:

1) 殘余應(yīng)力。初始?xì)堄鄳?yīng)力 待加工產(chǎn)品的初始狀態(tài)是鋁合金鑄造坯料,由于產(chǎn)品的外形不同在鑄造成型及熱處理冷卻過(guò)程中冷卻速度各位置不一致,產(chǎn)生殘余應(yīng)力。該應(yīng)力在加工中釋放,引起殼體變形[5]。影響產(chǎn)品變形的主要根源是初始?xì)堄鄳?yīng)力。

機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力包括:毛坯尺寸、形狀變化引起的應(yīng)力變化,毛坯經(jīng)切削加工后因其各部分尺寸的變化使其內(nèi)應(yīng)力分布變化[6];加工過(guò)程中因切削力、切削熱產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[7];各種殘余應(yīng)力的合力重新分布[8]。

2) 刀具角度。刀具角度影響切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱、切削應(yīng)力和殘余應(yīng)力。切削熱造成零件各部位溫度不均使零件產(chǎn)生變形;切削力是合力,可分解為軸向力、徑向力和切向力,切削分力及分力的變化使零件表面在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生不平度及變形;殘余應(yīng)力是加工后產(chǎn)生的應(yīng)力與其他應(yīng)力合成從新分布,將使加工好的零件產(chǎn)生變形[9]。

3) 工件裝卡。薄壁鋁合金鑄件剛性很差,機(jī)械加工的裝卡、壓等產(chǎn)生的彈塑性變形將影響零件尺寸精度、形狀、位置精度、表面質(zhì)量[10-11]。

4) 零件材料。鋁合金和其他元素有較高的化學(xué)反應(yīng)性、硬度較低、塑性大,這3個(gè)基本性質(zhì)為提高切削加工質(zhì)量帶來(lái)困難;在切削加工時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤,嚴(yán)重影響已加工表面粗造度、尺寸精度[12-15]。

除了上述原因外,機(jī)床、工裝的剛度、加工環(huán)境的溫度影響加工精度。其次是振動(dòng)。因此加工薄壁鋁合金鑄件的殼體著重解決裝卡、減小切削力和消除毛坯的殘余應(yīng)力。

2 殼體加工的防變形方法

殼體材料是ZL114, 熱處理方式T6處理,如圖1所示。

圖1 零件簡(jiǎn)圖

在實(shí)際加工過(guò)程中,零件的變形是絕對(duì)存在的,不可能完全消除,但是可以采取一些措施減小變形,將變形量降到要求的范圍內(nèi)。在加工鋁合金薄壁鑄件的過(guò)程中采用以下措施來(lái)減小工件的變形。

1) 切削刀具要盡可能鋒利。尤其在精車時(shí)刀具的鋒利可減小切削力,排屑順暢減小摩擦。在刀具選則上有機(jī)卡刀和焊接刀。機(jī)卡刀有很多優(yōu)點(diǎn),但是機(jī)卡刀是固定成型的,不能根據(jù)需要改變刀具角度,加工薄壁鋁合金件就不太適應(yīng)。焊接刀可以改變刀具角度,所以要使用焊接刀。刀具如圖2所示。

圖2 刀具

2) 刀具材料的選則。鋁合金加工性能好,只要硬度高于它的材料都可以加工它。從鋁合金鑄件的性能及要求來(lái)看一般選擇耐磨、抗沖擊、散熱好的硬質(zhì)合金為刀具材料。采用國(guó)產(chǎn)的YG8硬質(zhì)合金作為刀頭來(lái)加工此件,其效果是很好的。

3) 選用合理的刀具角度。在精車時(shí),為了減小在加工產(chǎn)生的切削熱及切削抗力就必須改變刀具的幾個(gè)重要角度,包括刀尖圓角、前角、后角及主偏角。刀具的刀尖圓角應(yīng)適當(dāng)小(R=0.4～0.8),以減小在切削過(guò)程的擠壓量;加大前角(γ=15°～20°)使切削力減小,可以減小受力變形;適當(dāng)增大后角(α=10°～15°)可減小刀具與零件加工表面的摩擦;刀具安裝的主偏角為90°,減小切削時(shí)產(chǎn)生的徑向力也可以減小零件的變形。

4) 合理的安排工序。為防止殼體在加工過(guò)程變形問(wèn)題,必須合理安排粗、半精、精加工、消除應(yīng)力及冷熱處理工序。殼體加工有很多工序,在每道工序還要有多工步,零件的質(zhì)量主要在精車這道工序。因此在精車工序還要注重環(huán)節(jié),在殼體精車時(shí)要反復(fù)多層次切削。從理論上說(shuō),零件上去掉任何一層應(yīng)力都會(huì)改變,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,可以不必考慮,但是對(duì)于易變形的大型薄壁鋁合金殼體影響很大,必須在工藝上采取措施予以消除。殼體精加工時(shí)不能一兩次車削就可以。在粗、半精加時(shí),車一次就要用超聲波振動(dòng)20 min消除一次應(yīng)力,再重新裝夾用百分表找正。車見(jiàn)圓用測(cè)厚儀測(cè)殼體壁厚調(diào)整厚度、以殼體壁厚為基準(zhǔn)再車削,再調(diào)整等直至加工到圖紙要求。

5) 設(shè)計(jì)合適的卡具。由于鋁合金鑄件本身剛性差,又是薄壁件,即使卡緊力微小也能產(chǎn)生很大的工件變形,對(duì)于這類零件的加工應(yīng)嚴(yán)格控制卡緊力的作用點(diǎn)及卡緊力的大小,因此要選用合適的卡具是非常重要的。殼體是圓形局部規(guī)則的零件,在車削加工時(shí)裝卡必須要在零件圓周上受力均勻合理才能使裝卡產(chǎn)生的變形小。在車床上裝卡用的卡盤一般是3個(gè)或4個(gè)卡爪,在裝卡時(shí)是3點(diǎn)或4點(diǎn)受力,即使卡緊力很小也會(huì)產(chǎn)生很大的變形。其產(chǎn)生的變形有彈性變形和塑性變形,由于變形的存在不但增加應(yīng)力也使加工的零件尺寸也會(huì)發(fā)生變化,影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至?xí)辜庸さ臍んw是廢品。裝夾方式對(duì)于鋁合金薄壁殼體的裝卡是非常的重要的,在裝卡時(shí)即要滿足加工的要求又要無(wú)變形、應(yīng)力還要很小,這樣才能滿足加工要求。

圖3 零件名稱:卡箍

如圖3所示,將此卡具稱作卡箍,卡箍用鋼材40cr鍛造而成,粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以增加其彈性,只有在精加工時(shí)用卡箍,其他可不用。在精車加工時(shí)卡箍與零件在直徑方向有1 mm的間隙,車床采用四抓卡盤裝卡,四爪卡盤卡利用卡箍的彈性變形后卡箍環(huán)與零件接觸達(dá)到卡緊的目的。卡箍的變形是圓心不變內(nèi)外徑改變,直徑改變后卡箍與零件產(chǎn)生緊配合使零件卡緊(卡緊力要合適,能滿足車削加工的卡緊力即可)。卡箍變形是均勻的,卡箍變形后與零件的接觸能全部靠在一起,達(dá)到零件與卡箍的接觸是面接觸。零件受到的卡緊力是均勻的,受力方向是徑向也不易使零件產(chǎn)生變形,這樣的裝卡經(jīng)加工后的殼體驗(yàn)證是裝卸方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、較低的費(fèi)用。車削加工裝卡方式如圖4所示。

6) 選擇合理的切削三要素。切削深度:在精車時(shí)選擇較小的切削深度。在精車加工時(shí)切削深度為0.1～0.5 mm,精車一次用測(cè)厚議檢測(cè)殼體的壁厚將殼體壁厚調(diào)至殼體厚度要求,反復(fù)調(diào)整最后達(dá)到即保證外徑尺寸還要滿足厚度要求。厚度測(cè)量如圖5所示。

圖4 車削加工裝卡方式

圖5 厚度測(cè)量

切削速度:精車時(shí)由于零件裝夾力小、殼體本身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的動(dòng)不平衡,所以切削速度不能過(guò)大,精車時(shí)殼體轉(zhuǎn)數(shù)在150～200 r/min。

走刀量:走刀量受表面粗糙度的限制所以走刀量不易過(guò)大,在精加工時(shí)走刀量為0.05～0.15。

7) 接頭內(nèi)部分的加工。在普通銑床用回轉(zhuǎn)盤加工,以車加工圓為基準(zhǔn)加工多余部分或用數(shù)銑加工。

3 結(jié) 語(yǔ)

要求刀具鋒利、刀具材料要耐磨抗沖擊,選用YG8硬質(zhì)合金刀頭焊接后可以滿足上述要求;刀具的刀尖圓角(R=0.4～0.8)、前角(γ=15°～20°)、后角(α=10°～15°)、主偏角為90°;裝卡殼體要選擇合適卡具,保證零件裝卡時(shí)受力均勻,除去卡具時(shí)無(wú)變形,如使用卡箍裝夾零件可避免變形;每次粗車、半精車削都要用超聲波振動(dòng)20 min消除一次應(yīng)力;精車時(shí)的切削深度0.1～0.5 mm、速度150～200 r/min、走刀量0.05～0.15。

針對(duì)大型薄壁鋁合金鑄件的加工就是想辦法消除內(nèi)應(yīng)力,在加工過(guò)程減小外力,讓零件處于自然裝態(tài)。本文通過(guò)這種殼體批次加工,認(rèn)為工藝合理可行的,對(duì)于不同的零件有不同的方法,最后加工出合格的產(chǎn)品、提供了具體思路和措施。在實(shí)際項(xiàng)目中運(yùn)用上述工藝進(jìn)行加工,對(duì)殼體的檢驗(yàn),壁厚誤差0.15,圓度0.1,放置10 d后也無(wú)變化。最終順利的與其他配件完成總裝配。

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Machining technology on thin-walled aluminum alloy casting shell

CHENDianhe,LIWei

(Machining Center, Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022, China)

Thin-walled aluminum alloy casting shell has been widely used in aerospace and aviation, etc.Although machinability is good, it still has many disadvantages such as the complex structure, low hardness, poor rigidity, deformation easily during machining, and hard control for machining quality.So the machining of thin-walled aluminum alloy casting shell is a technological difficulty.To solve these problems, this article first make a brief description and analysis on the main factors causing deformation, which are residual stress, tool angle, workpiece clamping, and part material of parts.According to these deformation factors, technology requirements are supplied as following: the tool and its trajectory should be optimized to improve the machining quality and efficiency, such as choosing the proper tool material, increasing the rake angle and clearance angle、decreasing the friction of tool and workpiece when cutting and decreasing cutting stress; By making use of auxiliary facilities and the clearance of sequence process, stress can be released, so as to reduce deformation caused by machining process; Optimize fixture by making it to contact with part by surface to guarantee equal force and avoid deformation; The three elements of finish turning are limited, that is cutting depth, speed, and feed.Using the above technology can effectively reduce the deformation of aluminum alloy thin-walled shell, so as to meet the design requirements.

cutting parameters; technology optimization; deformation control; tolerance requirements

2014-11-01。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAF04B01)。

陳殿賀(1959-),男,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)鑄造研究所工程師。

1673-5862(2015)01-0010-04

TG506.7

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.003