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有限公司 （陜西 710043） 王文仲 竇鑫紅 王 薇 劉 濤

摘要：針對超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過程易變形的問題，從材料、溫度、零件裝夾、過程控制及熱處理等環節進行分析，提出合理的工藝方案，采取有效、可靠的措施，尤其是設計和制造合理的車夾具，解決了殼體加工變形難題，滿足了產品設計技術要求。

在機械制造業中，超硬鋁材料的密度為2.7g/cm3，屬于輕合金，比強度高、比模量高，結構性能優異。超硬鋁合金的外觀質量好，具有良好的韌性及塑性，進行淬火、時效處理時可使合金強化，具有高強度、高耐磨性，高溫下變形小，成為國防建設中重要的結構件。

超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體加工過程中的變形一直困擾著技術人員及操作者。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題分析

如圖1所示的結構為高精度薄壁殼體，材料為超硬鋁，孔徑和外圓尺寸都＞110mm，跳動為0.02～0.03mm，壁厚為2mm。

此類零件加工有3點難度：①如何控制超硬鋁材料自身的變形問題。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題。

目前影響工件加工質量的因素主要有以下幾點：

（1）超硬鋁材料自身的影響。材料自身狀態會影響工件的加工質量。在實際生產加工中發現，同種型號不同批次的材料對工件加工質量會產生不同程度的影響。尤其是對于薄壁易變形工件來說，來料狀態的穩定性很重要。如果材料自身不穩定，就會在加工的各個階段逐漸釋放內應力而產生變形，甚至會將這種變形帶到產品的使用狀態中。

（2）溫度的影響。對于高精度薄壁工件來說，溫度對加工質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境溫度變化，相比較前者對工件加工尺寸精度影響更大。實際加工中在精車階段，工件剛加工完測得φ130mm基準孔尺寸與放置24h后測得尺寸有差異，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。試驗結果表明，環境溫度變化10℃，φ130mm基準孔尺寸大約變化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量過程中去，以保證工件最終加工質量。

圖1　超硬鋁高精度大直徑薄壁殼體結構及技術要求

（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生變形，從而影響工

件的尺寸精度和形狀精度。加工過程中因裝夾不當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，夾緊力過大，使零件產生三點變形，即零件回轉面上低點沿軸向呈三個帶狀區域分布，且三個區域大致成120°夾角。此類變形在剛結束加工時即可測出，且較難消除，若不采取特別措施，往往會影響整個后續加工過程。②加工中裝夾定位基準狀態不好，如定位面和壓緊面不平行，或壓板未處于自然狀態時壓緊等，均會造成工件變形。此類變形在剛結束加工時未明顯顯露，卸下工件測量變形量可能很小，但工件放置幾小時后變形量較大，放置24h后，變形量趨于穩定。③裝夾時軸向壓緊力過大也會造成零件因內應力而產生應力變形。

（4）加工過程的影響。在加工過程中導致工件變形的因素很多，常見的大致有：①因工件較薄，切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。②因工件結構特點和加工部位限制，裝夾后零件懸伸長度較長，在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產生振動和變形，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程中不可避免地會產生變形。除了正常狀態的熱處理變形之外，同時要重點控制非正常狀態的熱處理變形。在工件實際熱處理過程中，發現因零件進爐時的擺放方式不同，對零件變形的影響也不同。因零件批量大，爐內放置面積有限，為了保證生產進度，在熱處理過程中往往會將零件摞成兩到三層放置加熱。而最底層零件在加熱過程中始終處于受力狀態，經熱處理后組織應力不均往往變形最大，且在之后的加工過程中不斷有應力釋放，造成加工狀態的不穩定。

2. 殼體加工工藝方案

通過總結此類材料結構件的實際加工經驗，嘗試和進行許多對比切削試驗，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→半精車→時效去應力→車定位和壓緊基準→精車內部工序，留余量0.5mm→精車外部工序，留余量0.5mm→精車內部工序→精車外部工序→低溫熱處理→精飾。

加工流程分成粗加工、半精加工和精加工三個階段，并安排輔助加工基準工序。毛坯粗車后，進行淬火熱處理，使材料重新結晶，組織恢復平衡，硬度提高，滿足產品的強度需求。粗車后進行冷熱循環穩定材料組織，控制半精加工過程中的變形量。半精車后再進行一次時效去應力，消除切削過程產生的變形。最后精車后進行低溫熱處理，進一步穩定材料內部組織和尺寸精度要求較高的部位，滿足產品裝配長期使用要求。

3. 加工過程中采取的具體措施

（1）控制超硬鋁材料自身的收縮量。由于工件結構以及自身材料限制，在實際加工工件過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。通過對此類超硬鋁高精度殼體長時間觀察、測量和摸索，基準孔φ130mm、φ115mm自身收縮量為0.015～0.020mm，因此實際加工和測量一定要考慮材料自身收縮量補償，這樣才能保證零件的加工質量。

（2）機床的熱平衡。機床每天加工之前空轉30～60min，保證機床達到熱平衡，在此狀態下進行精車工序，零件加工質量才能穩定。

（3）優化走刀路徑。車削孔φ130mm時，沿徑向孔圓柱度差。針對此現象，把精加工余量0.5mm分成兩道加工：第一次進刀去除0.3mm，停機松開壓板，把零件旋轉90°，旋緊壓板開機；第二次進刀去除0.2mm，消除第一次進刀加工部分圓柱度誤差。車孔φ115mm時，把精加工余量0.5mm分成三道加工：第一次進刀去除0.3mm，停機松開壓板；把零件旋轉90°，旋緊壓板開機；第二次進刀去除0.1mm，消除第一次進刀加工部分圓柱度誤差，停機倒換壓板，再完成外部加工內容，停機倒換壓板；第三次進刀去除0.1mm，保證φ115mm完工尺寸要求。

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

驗及加工實踐，精加工時切削轉速n=500r/min，進給量f=0.06～0.10mm/r，零件越薄進給量要越小，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，保證產品質量。

（5）選擇切削液。采用濕加工降低切削區溫度，提高表面質量，延長刀具壽命。一般應選用極壓乳化液來冷卻，流量應充足。充分使用切削液進行冷卻，防止零件熱變形，防止熱量集中。

（6）設計合理的夾具。如圖2所示，工件3（雙點劃線處）用外圓與臺階端面和夾具體4的孔與端面相配合定位，大螺母5通過螺紋與夾具體4聯接，內端面壓緊工件外端面，對工件不產生徑向壓力，克服徑向力對工件產生變形。圓盤2通過螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過3個螺釘圓盤2與車床花盤聯接成整體。一次裝夾零件，將零件孔、內端面一次加工而成，從而達到保證工件加工基準面的精度要求。

如圖3所示，工件5（雙點劃線處）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通過螺釘與夾具體4聯接，端面壓在內孔的端面上。大螺母3通過螺紋與夾具體4聯接，內端面壓緊工件臺階端面，對工件不產生徑向壓力。圓盤2通過螺釘和銷釘與夾具體4相連，襯套1與車床花盤相配，通過3個螺釘圓盤2與車床花盤聯接成整體。

具體加工步驟為：①拆掉壓板6，旋緊大螺母3壓緊臺階端面，車端面及孔φ115mm（留余量0.2mm）。②停機拆掉大螺母3，把壓板6通過螺釘壓緊孔內端面，車外圓、螺紋及錐度。③停機拆掉壓板6，把大螺母3使用螺紋與夾具體4聯接，并壓緊孔內端面，車端面及孔φ115mm。這樣通過一次裝夾零件、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，從而達到保證工件的尺寸精度和形位公差要求。

圖2　精車殼體內部工序使用的車夾具結構

圖3　精車殼體外部工序使用的車夾具結構

4. 結語

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，滿足了產品設計技術要求；實用性強，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1] 梁炳文. 機械加工工藝與竅門［M］. 北京：機械工業出版社，2002.

[2] 王先逵. 機械加工工藝手冊［M］. 北京：機械工業出版社，2002.

[3] 龔安定，蔡建國. 機床夾具設計原理［M］. 西安：陜西科學技術出版社，1981.

專家點評

文章的創新性很好，薄壁套采用軸向壓緊的裝夾方法是加工工藝常識，但作者設計的工裝夾具能夠在工件的內孔和外圓加工中均做到軸向壓緊，解決生產中的實際問題。

收稿日期：（20141008）