鋁合金薄壁鑄件殼體機加工工藝研究

陳殿賀, 李 巍

(沈陽鑄造研究所 機械加工中心, 沈陽 110022)

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鋁合金薄壁鑄件殼體機加工工藝研究

陳殿賀, 李 巍

(沈陽鑄造研究所 機械加工中心, 沈陽 110022)

鋁合金薄壁鑄件殼體在航空、航天等領域有著廣泛的應用,其加工性能好,但結構復雜、硬度低、剛性差、加工時易變形、加工質量難以控制,因此鋁合金薄壁殼體的加工一直是機械加工的一個難點。為解決這些問題,首先對殘余應力、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行簡要說明和分析;然后針對這些變形因素,提出加工工藝要求。主要包括:對加工刀具及其軌跡進行優化,以提高加工效率改善加工質量,選則合適的刀具材料,增大刀具前角、后角,減少切削時刀具與工件之間產生的摩擦力及切削應力;利用輔助設施、分序過程的間隙進行應力適放以減少加工過程造成的變形;卡具的優化,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,從而滿足設計要求。

切削參數; 工藝優化; 變形控制; 公差要求

0 引 言

鋁合金薄壁殼體在各個行業中都有廣泛應用,如汽車、通訊、各種儀器設備外殼、航海等[1-4]。在航空、航天領域其指標要求更高。本論文依托航天某殼體(材質是鑄鋁ZL114)是航天某產品重要部件之一,用戶對材料的性能、尺寸、表面質量及形位公差要求非常嚴格,經過細致的共同檢驗達到零件要求才能簽收。所論述的殼體機械加工完的厚度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,通過對項目進行機械加工分析與實現,提出鋁合金薄壁件機械加工工藝,在該項目中生產得到充分驗證現已批量生產。

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械加工中發生變形的原因很多,與毛坯的材料、產品的幾何形狀、及生產條件都有關。這里以T6狀態的ZL114殼體坯料為例,主要影響因素如下:

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

機械加工產生的殘余應力包括:毛坯尺寸、形狀變化引起的應力變化,毛坯經切削加工后因其各部分尺寸的變化使其內應力分布變化[6];加工過程中因切削力、切削熱產生的殘余應力[7];各種殘余應力的合力重新分布[8]。

2) 刀具角度。刀具角度影響切削時產生的切削熱、切削應力和殘余應力。切削熱造成零件各部位溫度不均使零件產生變形;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后產生不平度及變形;殘余應力是加工后產生的應力與其他應力合成從新分布,將使加工好的零件產生變形[9]。

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

4) 零件材料。鋁合金和其他元素有較高的化學反應性、硬度較低、塑性大,這3個基本性質為提高切削加工質量帶來困難;在切削加工時易產生積屑瘤,嚴重影響已加工表面粗造度、尺寸精度[12-15]。

除了上述原因外,機床、工裝的剛度、加工環境的溫度影響加工精度。其次是振動。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 零件簡圖

在實際加工過程中,零件的變形是絕對存在的,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。在加工鋁合金薄壁鑄件的過程中采用以下措施來減小工件的變形。

1) 切削刀具要盡可能鋒利。尤其在精車時刀具的鋒利可減小切削力,排屑順暢減小摩擦。在刀具選則上有機卡刀和焊接刀。機卡刀有很多優點,但是機卡刀是固定成型的,不能根據需要改變刀具角度,加工薄壁鋁合金件就不太適應。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看一般選擇耐磨、抗沖擊、散熱好的硬質合金為刀具材料。采用國產的YG8硬質合金作為刀頭來加工此件,其效果是很好的。

3) 選用合理的刀具角度。在精車時,為了減小在加工產生的切削熱及切削抗力就必須改變刀具的幾個重要角度,包括刀尖圓角、前角、后角及主偏角。刀具的刀尖圓角應適當小(R=0.4～0.8),以減小在切削過程的擠壓量;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°,減小切削時產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程變形問題,必須合理安排粗、半精、精加工、消除應力及冷熱處理工序。殼體加工有很多工序,在每道工序還要有多工步,零件的質量主要在精車這道工序。因此在精車工序還要注重環節,在殼體精車時要反復多層次切削。從理論上說,零件上去掉任何一層應力都會改變,金屬因應力的重新分布都會發生變形。對剛性大的工件,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。殼體精加工時不能一兩次車削就可以。在粗、半精加時,車一次就要用超聲波振動20 min消除一次應力,再重新裝夾用百分表找正。車見圓用測厚儀測殼體壁厚調整厚度、以殼體壁厚為基準再車削,再調整等直至加工到圖紙要求。

5) 設計合適的卡具。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生很大的工件變形,對于這類零件的加工應嚴格控制卡緊力的作用點及卡緊力的大小,因此要選用合適的卡具是非常重要的。殼體是圓形局部規則的零件,在車削加工時裝卡必須要在零件圓周上受力均勻合理才能使裝卡產生的變形小。在車床上裝卡用的卡盤一般是3個或4個卡爪,在裝卡時是3點或4點受力,即使卡緊力很小也會產生很大的變形。其產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力也使加工的零件尺寸也會發生變化,影響產品質量甚至會使加工的殼體是廢品。裝夾方式對于鋁合金薄壁殼體的裝卡是非常的重要的,在裝卡時即要滿足加工的要求又要無變形、應力還要很小,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,粗加工后進行調質處理以增加其彈性,只有在精加工時用卡箍,其他可不用。在精車加工時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與零件接觸達到卡緊的目的。卡箍的變形是圓心不變內外徑改變,直徑改變后卡箍與零件產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生變形,這樣的裝卡經加工后的殼體驗證是裝卸方便、結構簡單、容易制造、較低的費用。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:在精車時選擇較小的切削深度。在精車加工時切削深度為0.1～0.5 mm,精車一次用測厚議檢測殼體的壁厚將殼體壁厚調至殼體厚度要求,反復調整最后達到即保證外徑尺寸還要滿足厚度要求。厚度測量如圖5所示。

圖4 車削加工裝卡方式

圖5 厚度測量

切削速度:精車時由于零件裝夾力小、殼體本身結構不對稱,轉速過高時會產生大的動不平衡,所以切削速度不能過大,精車時殼體轉數在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大,在精加工時走刀量為0.05～0.15。

7) 接頭內部分的加工。在普通銑床用回轉盤加工,以車加工圓為基準加工多余部分或用數銑加工。

3 結 語

要求刀具鋒利、刀具材料要耐磨抗沖擊,選用YG8硬質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,保證零件裝卡時受力均勻,除去卡具時無變形,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20 min消除一次應力;精車時的切削深度0.1～0.5 mm、速度150～200 r/min、走刀量0.05～0.15。

針對大型薄壁鋁合金鑄件的加工就是想辦法消除內應力,在加工過程減小外力,讓零件處于自然裝態。本文通過這種殼體批次加工,認為工藝合理可行的,對于不同的零件有不同的方法,最后加工出合格的產品、提供了具體思路和措施。在實際項目中運用上述工藝進行加工,對殼體的檢驗,壁厚誤差0.15,圓度0.1,放置10 d后也無變化。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。

國家科技支撐計劃項目(2006BAF04B01)。

陳殿賀(1959-),男,遼寧沈陽人,沈陽鑄造研究所工程師。

1673-5862(2015)01-0010-04

TG506.7

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.003