鍛造鋁合金殼體加工變形研究

程　濤,鄭　龍,張　虎

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

摘要：鍛造鋁合金是新能源裝備中動力系統(tǒng)殼體常用材料，由于鍛造鋁合金材料的特性和新能源動力系統(tǒng)對殼體的精度要求，傳統(tǒng)的加工方法很難完全保證其要求。通過對加工技術(shù)進行研究與分析，在傳統(tǒng)加工鋁合金的基礎(chǔ)上，改進了加工順序和加工方式，增加鋁合金在加工過程中振動釋放應(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；機械加工；切削參數(shù)；夾持力；振動時效

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

新能源裝備的動力系統(tǒng)主要設(shè)備之一是電動機，其電動機機殼是動力系統(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，因此新能源裝備的電動機機殼絕大多數(shù)是鍛造鋁合金。

新能源裝備的動力是由電機直驅(qū)輪轂，與傳統(tǒng)裝備的經(jīng)變速箱驅(qū)動差異較大，電機直驅(qū)輪轂要求電機殼體與從動設(shè)備的精度配合，因此電機殼體的形位公差、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，這個過程中會造成機殼變形，特別是大型殼體，變形范圍遠超過公差范圍。下面將機殼的變形過程進行分析探討，并擬定相應(yīng)的工藝措施。

1機殼坯件特性分析

某裝備機殼為鍛造鋁合金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均勻，晶粒組織受坯料中的晶粒流和鍛造時金屬流動方向的綜合影響，最大晶粒流方向的延展性大，強度高，而與之垂直的方向上，塑性最低，強度最小[1]。雖然經(jīng)過T6固溶熱處理和完全人工時效，但對晶粒組織的均勻性分布是有限的[2]。因此在機械加工過程中要考慮縱、橫向強度和塑性不同的問題。

2機殼傳統(tǒng)加工方法存在的問題

機殼最終尺寸如圖1所示。

圖1　機殼尺寸示意圖

機殼徑向尺寸遠大于軸向尺寸，且為管狀形狀，屬于薄壁環(huán)狀類工件，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，雖然這些指標低于現(xiàn)代數(shù)控加工設(shè)備精度等級，但機殼外徑較大，其材料內(nèi)應(yīng)力、加工切削力、加工夾持力對加工結(jié)果尺寸影響較大，若加工中不采取工藝措施，工件的精度等級將會達不到要求[3]。

2.1　加工路線的問題

根據(jù)傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗，加工路線為：鍛坯→熱處理→粗車外形→銑窗口等→自然時效→精車外形→精車止口及內(nèi)也→鉗(鉆孔攻絲)。精車外形和銑窗口后，工件留有0.8mm左右的加工余量，自然失效24h，然后精車[4]。精車過程中分多次進行，每進行一次，都將松開工件夾頭，重新夾緊找正后，再加工。取下工件測量，圓度已超過0.03的要求。這說明傳統(tǒng)工藝加工路線不能滿足設(shè)計要求。

2.2　刀具與切削參數(shù)的問題

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)通過匹配優(yōu)化，可以改善或提高加工精度等級[5]。傳統(tǒng)加工雖然要求優(yōu)化加工參數(shù)，但對薄壁環(huán)狀的機殼來說，傳統(tǒng)的方法還是有些問題。

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，由于機殼較大，加工痕跡較長，即使精加工余量較少，但刀具切削刃相對于最初鋒利時的磨損仍然較大，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大。如果切削用量和切削速度不是最優(yōu)的，機殼精度等級必然超差。

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給速度進行加工，根據(jù)選用的刀具種類不同，切削參數(shù)略有差異。選擇切削用量時，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、精加工的進程，切削進給量逐漸減少，而切削速度在增加[6]，其目的是減少切削塑性變形。為了保證機殼形位公差，精車盡量在一次裝夾完成更多有尺寸，因此每一個尺寸，甚至每一刀加工，切削參數(shù)都得調(diào)整。

2.3　加工內(nèi)外受力問題

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

2.3.1內(nèi)應(yīng)力的影響問題

機殼坯件內(nèi)應(yīng)力基本上達到平衡。由于鍛造過程中，各部分金屬冷卻時收縮不均，以及金相組織轉(zhuǎn)變時的體積變化，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)過時效處理。由于機殼外形不規(guī)則，變形往往較大且不規(guī)則。

2.3.2切削力的問題

切削力是車削過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，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夾持力的問題

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

3機殼加工方案研究

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

3.1　工藝路線改進

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

3.1.1中間尺寸調(diào)整

無精度要求的尺寸和不作為下道加工定位(基準)的尺寸或基準面在粗車時加工到最終尺寸，在半精車時可減少機殼發(fā)熱。

粗車時，兩端止口臺階各轉(zhuǎn)角處留R2左右的圓弧，可避免人工時效時在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而導(dǎo)致尺寸長時間不穩(wěn)定。

3.1.2振動時效

增加振動時效是在精車前穩(wěn)定機殼尺寸，為精車止口和內(nèi)孔做準備。振動時效是穩(wěn)定尺寸不錯的選擇，且快速經(jīng)濟。

振動時效要根據(jù)機殼形狀和鍛造時晶粒流的方向綜合考慮。振動的方向重點在機殼軸向和縱向方向進行[7]。

經(jīng)過振動時效處理后的工件，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—切斷來實現(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、精車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，背吃刀量和進給量可以取大些，但一般不超過3mm，切削速度1 200 ~1 500m/min。精加工時，背吃刀量一般選擇在0.1~0.3mm，進給量可選取0.05~0.1mm，切削速度1 500 ~2 500m/min，且不宜過高[8]。

3.3　夾持力控制

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

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

圖2　專用工裝示意圖

4結(jié)論

按照改進后的工藝進行加工的機殼，通過檢測，工件所有尺寸精度及形位公差完全滿足設(shè)計要求。

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

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

參考文獻：

[1]張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

[2]中國機械工程學(xué)會熱處理專業(yè)分會編委會.熱處理手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]劉劍峰.薄壁零件加工工藝研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(20):75-76.

[4]楊叔子.機械加工工藝師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[5]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

[6]徐琳.提高鋁合金機械加工效率的研究[J].精密成形工程,2010,2(3):78-81.

[7]關(guān)六三，程衛(wèi).振動時效機理及其工藝參數(shù)選擇[J].裝備制造技術(shù),2014(2):20-22.

[8]田宏霞.薄壁零件車床加工方法的探討[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2010(6):59-60.

[9]田培棠.夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[10]朱耀祥,浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊.機械工業(yè)出版社,2010.

(責(zé)任編輯唐定國)

收稿日期：2015-03-02

作者簡介：程濤(1963—)，男，高級工程師，主要從事質(zhì)量管理及電機測試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.033

中圖分類號：TG314

文獻標識碼：A

文章編號：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，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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【機械制造與檢測技術(shù)】