提高大直徑鋁合金環形件車加工精度方法

史韻琦++朱穎++臧笑宇++何恩緒

摘 要：某公司大直徑鋁合金環形件由于自身剛性差易變形，加工過程中的應力重新分布導致零件合格率極低，原加工過程中每道工序都出現零件圓周和端面跳動較大問題，由于最終交付要求自由狀態下達到所有特性要求，因此該件交付遇到困難，解決該類零件加工過程變形問題，是實現零件交付的必要前提。本文主要提出：通過調整自由度限制順序并盡量實現不引起裝夾變形；通過反復車平兩面來逐步減小端面跳動量；通過優化刀具牌號及加工參數降低零件表面殘余應力；通過加工中注意冷卻方法解決鋁合金變形問題和通過無法使用測具的情況下如何保證加工精度。

關鍵詞：鋁合金；變形；殘余應力；冷卻；測量

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A

普惠公司大直徑鋁合金環形件是典型的易變形件，最終交付要求自由狀態達到所有技術要求，由于該零件直徑達到1200mm，高度約100mm，因而軸向和徑向都會出現較大變形。

本文的主要內容包括：如何根據零件結構分析變形特點；如何減小過定位狀態下的裝夾變形；如何減小低剛性零件的端面跳動量；如何判定局部彈性形；如何選擇刀具來控制零件表面面殘余應力以降低應力重新分布引起的零件變形，以及如何在非標準溫度下進行高精度尺寸的控制與檢測。

1.零件加工思路及操作要點介紹

工藝路線思路：

經過初期加工實驗，加工過程時刻伴隨零件圓周和端面跳動量增大的問題，因而在粗加工和精加工之前增加修基準工序，進入半精加工和精加工后，需要嚴格注意殘留到零件表面的加工應力，這部分應力同零件內部預先熱處理以后殘留的微小應力共同引起零件變形，因此半精加工和精加工過程根據零件結構選取加工區域逐步去除余量，最終達到零件設計要求。

根據初期加工分析總結，需要在加工過程中做到：第一，在任何工序中都嚴格控制兩側端面的全跳動，因為后續工序會由于這個問題產生裝夾變形，變形累積到最終，將導致零件報廢；第二，進行大余量去除無法保證跳動要求后必須進行修基準工序以方便后續裝夾；第三，每次裝夾后進行余量去除力求盡量不低于0.3mm且去除位置沿圓周均勻以避免后續產生的加工應力同之前殘留的已平衡應力相疊加，進而出現更復雜的變形現象。

如圖1所示，零件工序安排如下：毛料圖表-車基準-粗車型面-粗車另一面-半精車大端-半精車小端-修基準-精車大端-精車小端-銑螺紋鉆孔-去毛刺-檢驗-各種特種工藝。

2.通過選擇刀具和加工參數控制零件變形的方法

2.1 刀具的選擇

對于鋁合金這類切削過程材料塑性變形較大的材料，刀具的選用與切削過程殘余應力關系密切，在選用的刀具前角過小，后角不足情況下，零件易出現較大變形。因此選用刀具遵從大前角、大后角、刀片表面經過拋光處理，刀尖圓弧半徑較小的刀具。

引起零件表面應力殘留的原因主要是切屑形成過程中的材料塑性變形，變形后的材料與刀具后刀面擠壓和摩擦形成淺表面的硬化，大部分數控刀具如負前角刀片大多形成壓應力，正前角刀片中，由于受不同材料和后角大小因素影響，形成的應力也有所區別，大部分產生較低的壓應力，對于鋁合金材料，選用大前角大后角的拋光刀片一方面可以盡量降低切削過程對零件表面的殘余應力，另一方面，刀片表面光滑，有利于降低摩擦力，降低切削力，減小零件和刀具的彈性變形。

2.2 加工參數的選擇

選擇切削參數，主要考慮零件表面的應力平衡，因此選用較常規加工更高的線速度，因為加大切削速度可以增加零件表面深層的壓應力，而同時增大淺表面的拉應力，在一定的切削速度范圍內，二者接近平衡。選擇切深和進給的過程，考慮根據零件結構控制切削力方向，如果是加工上端面過程，希望切削力偏向軸向，因此選擇小切深大進給，而加工內孔方向，希望切削力指向夾具端面方向，因而選擇大切深小進給。精加工過程由于有表面粗糙度限制，進給值必須固定情況下，試驗出切削速度的極限值。

加工鋁合金需要時刻保持刀具切削刃的鋒利，因此刀具壽命的延長也有利于零件加工精度的提高，切削三要素中，切削速度對刀具壽命影響最大，其次是主要由進給量決定的切屑厚度，最后是主要由切深決定的切屑寬度，在切削速度僅能在較小區間內調整的前提下，某些時候選用的刀尖圓角半徑必然影響刀具完成每個部位加工內容的螺旋切削長度，由于刃口可以承受的最大切屑厚度是有極限的，較大的切屑厚度也導致零件表面殘留應力加大，因此通過加大刀尖圓角半徑可以在相同切深下降低切屑厚度，或提高進給值，在零件剛性允許情況下，使用稍大刀尖圓角可以在保證相同粗糙度的情況下應用更大進給值。

結論

找到一種合適的刀片槽型和材質，這要求這種刀片材料匹配被加工材料同時具有合理的幾何形狀；任何情況下都盡量不出現由于裝夾引起的零件變形，如果批量較大，可以設計使用較為方便的專用工裝，或用填充法避免定位面的懸空。

參考文獻

[1]張溢芳.金屬切削手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2011.

[2]余戰波，黎志保.金屬切削加工指南[M].北京：北京理工大學出版社，2014.