程　濤,鄭　龍,張　虎

(1.駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶　400050; 2.重慶虎溪電機(jī)廠(chǎng)，重慶　402760)

鍛造鋁合金殼體加工變形研究

程濤1,鄭龍2,張虎2

(1.駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶400050; 2.重慶虎溪電機(jī)廠(chǎng)，重慶402760)

摘要：鍛造鋁合金是新能源裝備中動(dòng)力系統(tǒng)殼體常用材料，由于鍛造鋁合金材料的特性和新能源動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)殼體的精度要求，傳統(tǒng)的加工方法很難完全保證其要求。通過(guò)對(duì)加工技術(shù)進(jìn)行研究與分析，在傳統(tǒng)加工鋁合金的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了加工順序和加工方式，增加鋁合金在加工過(guò)程中振動(dòng)釋放應(yīng)力的方式，獲得較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：新能源裝備；鋁合金殼體；變形；機(jī)械加工；切削參數(shù)；夾持力；振動(dòng)時(shí)效

隨著武器裝備的輕型化，鍛造鋁合金在裝甲車(chē)輛上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是裝備動(dòng)力部分的殼體幾乎都是鋁合金材料。傳統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)的裝備動(dòng)力系統(tǒng)殼體加工是非常成熟的，但對(duì)新能源裝備的動(dòng)力系統(tǒng)殼體的加工研究報(bào)道卻是非常少。由于傳統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力和新能源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力的輸出方式、特性有所不同，因此其動(dòng)力設(shè)備的殼體加工技術(shù)要求和側(cè)重點(diǎn)也是不一樣的。

新能源裝備的動(dòng)力系統(tǒng)主要設(shè)備之一是電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)機(jī)殼是動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，由于鋁合金質(zhì)輕、切削容易、散熱性好、沖擊吸收性好等特點(diǎn)，因此新能源裝備的電動(dòng)機(jī)機(jī)殼絕大多數(shù)是鍛造鋁合金。

新能源裝備的動(dòng)力是由電機(jī)直驅(qū)輪轂，與傳統(tǒng)裝備的經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)差異較大，電機(jī)直驅(qū)輪轂要求電機(jī)殼體與從動(dòng)設(shè)備的精度配合，因此電機(jī)殼體的形位公差、尺寸精度要求較高，因殼體形狀較復(fù)雜，加工工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)造成機(jī)殼變形，特別是大型殼體，變形范圍遠(yuǎn)超過(guò)公差范圍。下面將機(jī)殼的變形過(guò)程進(jìn)行分析探討，并擬定相應(yīng)的工藝措施。

1機(jī)殼坯件特性分析

某裝備機(jī)殼為鍛造鋁合金2A16-T6，鍛造坯件尺寸為Φ750mm×135mm×280mm的環(huán)形件。2A16鋁合金是一種耐熱硬鋁。鍛造坯件是在一定溫度下，借助外力使鋁合金產(chǎn)生塑性變形而獲得，由于鍛造手段和方法不能使晶粒組織絕對(duì)均勻，晶粒組織受坯料中的晶粒流和鍛造時(shí)金屬流動(dòng)方向的綜合影響，最大晶粒流方向的延展性大，強(qiáng)度高，而與之垂直的方向上，塑性最低，強(qiáng)度最小[1]。雖然經(jīng)過(guò)T6固溶熱處理和完全人工時(shí)效，但對(duì)晶粒組織的均勻性分布是有限的[2]。因此在機(jī)械加工過(guò)程中要考慮縱、橫向強(qiáng)度和塑性不同的問(wèn)題。

2機(jī)殼傳統(tǒng)加工方法存在的問(wèn)題

機(jī)殼最終尺寸如圖1所示。

圖1　機(jī)殼尺寸示意圖

機(jī)殼徑向尺寸遠(yuǎn)大于軸向尺寸，且為管狀形狀，屬于薄壁環(huán)狀類(lèi)工件，且薄壁厚度不均勻，形狀復(fù)雜，若加工中不采取措施，用傳統(tǒng)薄壁件加工方式引起變形在所難免[3]。

如圖1所示，機(jī)殼重要尺寸精度為H7，同心度、圓度、垂直度為0.03，雖然這些指標(biāo)低于現(xiàn)代數(shù)控加工設(shè)備精度等級(jí)，但機(jī)殼外徑較大，其材料內(nèi)應(yīng)力、加工切削力、加工夾持力對(duì)加工結(jié)果尺寸影響較大，若加工中不采取工藝措施，工件的精度等級(jí)將會(huì)達(dá)不到要求[3]。

2.1　加工路線(xiàn)的問(wèn)題

根據(jù)傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗(yàn)，加工路線(xiàn)為：鍛坯→熱處理→粗車(chē)外形→銑窗口等→自然時(shí)效→精車(chē)外形→精車(chē)止口及內(nèi)也→鉗(鉆孔攻絲)。精車(chē)外形和銑窗口后，工件留有0.8mm左右的加工余量，自然失效24h，然后精車(chē)[4]。精車(chē)過(guò)程中分多次進(jìn)行，每進(jìn)行一次，都將松開(kāi)工件夾頭，重新夾緊找正后，再加工。取下工件測(cè)量，圓度已超過(guò)0.03的要求。這說(shuō)明傳統(tǒng)工藝加工路線(xiàn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2　刀具與切削參數(shù)的問(wèn)題

合理選用切削用量和刀具，可減小切削力及切削力的變化所引起的變形。刀具和切削參數(shù)通過(guò)匹配優(yōu)化，可以改善或提高加工精度等級(jí)[5]。傳統(tǒng)加工雖然要求優(yōu)化加工參數(shù)，但對(duì)薄壁環(huán)狀的機(jī)殼來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的方法還是有些問(wèn)題。

2.2.1加工刀具的選擇

2A16鋁合金含硅量較低，切削刀具既可以使用普通硬質(zhì)合金，也可以使用金剛石刀具。使用硬質(zhì)合金刀具其鍍覆膜不含鋁元素，以免發(fā)生粘刀現(xiàn)象，直接影響尺寸精度[6]。

傳統(tǒng)工藝選用的加工刀具是硬質(zhì)合金刀，由于機(jī)殼較大，加工痕跡較長(zhǎng)，即使精加工余量較少，但刀具切削刃相對(duì)于最初鋒利時(shí)的磨損仍然較大，刀具的切削刃鋒利程度下降，切削力上升，切削面變形比切削刃鋒利時(shí)大。如果切削用量和切削速度不是最優(yōu)的，機(jī)殼精度等級(jí)必然超差。

2.2.2切削參數(shù)的選擇

鋁合金具有極好的易切特性，可采用很高的切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行加工，根據(jù)選用的刀具種類(lèi)不同，切削參數(shù)略有差異。選擇切削用量時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋁合金的含硅量的大小、硬度、塑性而定。隨著含硅量的增加，所選擇的切削量降低。工件隨粗加工、半精加工、精加工的進(jìn)程，切削進(jìn)給量逐漸減少，而切削速度在增加[6]，其目的是減少切削塑性變形。為了保證機(jī)殼形位公差，精車(chē)盡量在一次裝夾完成更多有尺寸，因此每一個(gè)尺寸，甚至每一刀加工，切削參數(shù)都得調(diào)整。

2.3　加工內(nèi)外受力問(wèn)題

由于鍛造時(shí)晶粒不均勻，坯件雖然經(jīng)過(guò)熱處理，其內(nèi)應(yīng)力基本上達(dá)到平衡，但是坯件的內(nèi)應(yīng)力仍然存在[1]。工件在切削過(guò)程中，即使切削力、夾緊力、重力、慣性力、傳動(dòng)力即使在各個(gè)環(huán)節(jié)安排都很合理，工件仍然會(huì)產(chǎn)生變形，這種變形，往往在工件經(jīng)過(guò)車(chē)削加工后才明顯反映出來(lái)[3]。內(nèi)應(yīng)力、切削力、夾持力都會(huì)影響機(jī)殼尺寸精度。

2.3.1內(nèi)應(yīng)力的影響問(wèn)題

機(jī)殼坯件內(nèi)應(yīng)力基本上達(dá)到平衡。由于鍛造過(guò)程中，各部分金屬冷卻時(shí)收縮不均，以及金相組織轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化，內(nèi)部組織晶粒是不均勻的，所以粗加工后必定造成內(nèi)應(yīng)力重新分布[1]，為了重新分布的內(nèi)應(yīng)力更加平衡，粗加工后還需經(jīng)過(guò)時(shí)效處理。由于機(jī)殼外形不規(guī)則，變形往往較大且不規(guī)則。

2.3.2切削力的問(wèn)題

切削力是車(chē)削過(guò)程中刀具與工件的相互作用而產(chǎn)生的，工件受切削力擠壓與牽引導(dǎo)致工件彈性變形和塑性變形變形。同時(shí)，刀具與工件表面反復(fù)摩擦，使切削區(qū)溫度升高而導(dǎo)致熱變形[5]。

2.3.3夾持力的問(wèn)題

機(jī)殼加工時(shí)為四爪夾持，四爪夾持的液壓為1MPa，在精加工時(shí)，最低液壓也要在0.6MPa以上，此時(shí)機(jī)殼已有0.02mm以上的彈性變形，甚至更大的塑性變形，加上加工誤差，機(jī)殼精度超差可能性非常大。

3機(jī)殼加工方案研究

傳統(tǒng)的加工方式產(chǎn)生較多的問(wèn)題，最終影響機(jī)殼精度，這些問(wèn)題的原因是切削力、內(nèi)應(yīng)力、夾持力等的不均勻或受力點(diǎn)集中造成。通過(guò)工藝路線(xiàn)改進(jìn)、選擇合理加工參數(shù)、控制工件受力等方面的試驗(yàn)與探究，有效減小工件的變形，具體如下。

3.1　工藝路線(xiàn)改進(jìn)

將傳統(tǒng)的工藝路線(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時(shí)增加相應(yīng)的工序：調(diào)整加工參數(shù)和中間尺寸；粗車(chē)后自然失效改為人工失效，并增加半精車(chē)，半精車(chē)后增加振動(dòng)時(shí)效。下面就需注意工序的內(nèi)容說(shuō)明如下。

3.1.1中間尺寸調(diào)整

無(wú)精度要求的尺寸和不作為下道加工定位(基準(zhǔn))的尺寸或基準(zhǔn)面在粗車(chē)時(shí)加工到最終尺寸，在半精車(chē)時(shí)可減少機(jī)殼發(fā)熱。

粗車(chē)時(shí)，兩端止口臺(tái)階各轉(zhuǎn)角處留R2左右的圓弧，可避免人工時(shí)效時(shí)在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而導(dǎo)致尺寸長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定。

3.1.2振動(dòng)時(shí)效

增加振動(dòng)時(shí)效是在精車(chē)前穩(wěn)定機(jī)殼尺寸，為精車(chē)止口和內(nèi)孔做準(zhǔn)備。振動(dòng)時(shí)效是穩(wěn)定尺寸不錯(cuò)的選擇，且快速經(jīng)濟(jì)。

振動(dòng)時(shí)效要根據(jù)機(jī)殼形狀和鍛造時(shí)晶粒流的方向綜合考慮。振動(dòng)的方向重點(diǎn)在機(jī)殼軸向和縱向方向進(jìn)行[7]。

經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理后的工件，其尺寸穩(wěn)定在 80%以上，為精加工保證尺寸精度打好良好基礎(chǔ)。

3.2　加工刀具和切削參數(shù)選擇

金屬加工本身是由刀具擠壓工件加工部分由彈性變型—塑性變型—切斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，避免刀具撕扯工件加工部位，在刀具上考慮，使刀具刀刃必須鋒利，要工件本身彈性變型塑性變型時(shí)間縮短，盡量小的影響加工后表面[6]。粗加工和半精加工刀具選擇膜層未含鋁元素、膜層厚度較小的硬質(zhì)合金刀具；半精車(chē)、精車(chē)刀具選擇金剛石刀具。這樣刀具可以保持較鋒利的切削刃，以避免刀鈍產(chǎn)生撕裂變形。刀具形狀選擇為：刀具的容屑空間要大。銑刀一般建議用2齒，前角、后角要大(如12~14°)[5,8]。

粗加工時(shí)，背吃刀量和進(jìn)給量可以取大些，但一般不超過(guò)3mm，切削速度1 200 ~1 500m/min。精加工時(shí)，背吃刀量一般選擇在0.1~0.3mm，進(jìn)給量可選取0.05~0.1mm，切削速度1 500 ~2 500m/min，且不宜過(guò)高[8]。

3.3　夾持力控制

機(jī)殼粗車(chē)時(shí)，夾持力在0.8~1.2MPa,精車(chē)時(shí)，夾持力至少在0.6MPa以上，這樣的夾持力直接作用在機(jī)殼上，夾持點(diǎn)變形不可避免。機(jī)殼夾緊加工是徑向方向，若采用軸向方向其夾緊力，此時(shí)夾緊力為0.1 ~0.2MPa，大幅度地減少了夾持力帶來(lái)的變形[4,9]。

為便于軸向夾緊方式的實(shí)施，設(shè)計(jì)了精加工使用的專(zhuān)用工裝，此時(shí)機(jī)殼所需要的力量較小，利用機(jī)殼兩端面的螺紋過(guò)孔就可固定，加工時(shí)的切削阻力不會(huì)造成過(guò)孔周邊塑性變形[10]，如圖2所示。

圖2　專(zhuān)用工裝示意圖

4結(jié)論

按照改進(jìn)后的工藝進(jìn)行加工的機(jī)殼，通過(guò)檢測(cè)，工件所有尺寸精度及形位公差完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1) 改進(jìn)后的鍛造鋁合金殼體加工方法，可以指導(dǎo)新能源裝備動(dòng)力鍛造鋁合金殼體的生產(chǎn)，方法是有效、可行的。

2) 改進(jìn)后的鍛造鋁合金殼體加工方法，可為類(lèi)似鋁合金鍛件加工提供很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

收稿日期：2015-03-02

作者簡(jiǎn)介：程濤(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事質(zhì)量管理及電機(jī)測(cè)試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.033

中圖分類(lèi)號(hào)：TG314

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)07-0130-03

本文引用格式：程濤,鄭龍,張虎.鍛造鋁合金殼體加工變形研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):130-132.

Citationformat:CHENTao,ZHENGLong,ZHANGHu.StudyonMachiningDistortionofShellForgingAluminumAlloy[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(7):130-132.

StudyonMachiningDistortionofShellForgingAluminumAlloy

CHENTao1, ZHENG Long2, ZHANG Hu2

(1.MilitaryRepresentative’sRoomofChongqingRegion,Chongqing400050,China;

2.ChongqingHuxiElectricalIndustrialCo.,Ltd.,Chongqing402760,China)

Abstract:Forging aluminum alloy is the commonly used material of new energy equipments in housing power system. Because the accuracy requirements of characteristics of forging aluminum alloy materials and the shell new energy power system, the traditional processing method is difficult to fully ensure the requirements. Through the research and exploration of processing technology, based on the traditional aluminum alloy processing, we improved the processing order and processing mode and increased the vibration of aluminum alloy in the processing way of releasing stress, and obtained better application effect.

Key words:new energy equipment; aluminum alloy shell, deformation; machining; cutting parameters; clamping force; vibration aging

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】