高精度薄壁鋁管體筒體的加工

■北方華安工業集團有限公司機械公司 （黑龍江齊齊哈爾 161006） 孟祥志 張王生 王德寬 王陸寧 陳文輝

1.零件結構和技術要求

零件結構如圖1所示，工件長度970mm，內孔有公差尺寸，外圓有公差尺寸，同軸度0.1mm，和端面垂直度0.1mm，壁厚最小處為3mm，內孔止口φ129mm公差為0.04mm。

2.加工工藝性分析

工件變形是筒體加工的主要難題，初步分析有以下原因。

（1）受夾緊力影響產生變形。由于薄壁鋁管件的剛性差，受夾緊力的作用極易產生變形，當工件在自定心卡盤中夾緊后，產生彈性變形，加工完畢后，在機床上測量工件尺寸合格，將工件從自定心卡盤上取下來，由于工件彈性變形的恢復，已經車圓的孔又變得不圓了。

（2）切削熱引起工件熱變形。薄壁鋁管件的線膨脹系數較高，在半精車和精車的一次裝夾連續車削中，所產生的切削熱對工件的尺寸和形位精度影響很大。

（3）在切削力（特別是背向力）的作用下，容易產生振動和變形。振動和變形影響薄壁鋁管件的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度。

（4）殘余內應力使工件變形。

圖1

3.技術改善措施

為了防止和減少薄壁工件的變形，滿足高精度鋁筒體的加工要求，在加工過程中采取以下技術措施。

（1）工件分粗加工、半精加工和精加工三步。粗車時，夾緊力大些，半精車、精車時，夾緊力逐漸減小，消除粗車時因夾緊力大而引起的變形。

（2）加注切削液，降低切削熱，防止熱變形。加工薄壁鋁管件時，切削液澆注要充分連續，在刀具切削區和中心架支撐處，要采用多個水管進行冷卻。粗加工時，宜采用以冷卻為主的水基切削液；精加工時，宜采用以潤滑為主的油基切削液。根據不同品種的切削液，濃度保持在10%左右。

（3）采取有效措施，解決高精度薄壁鋁管件加工中的振動問題。①在加工較長的薄壁鋁管件時，增加輔助支撐，使零件的剛性增加，振顫減少，使切削平穩，表面質量提高。②用中心架支撐工件或夾具時，應調整好中心架三爪自定心卡盤的中心位置，保證零件回轉軸線與機床主軸回轉軸線重合。③在保證安全的前提下，合理采用減振裝置，或采用吸振材料填充內膛，包裹外形等方式減小振動，吸振材料一般采用泡沫、橡膠、毛氈、海綿和布條等。④增加時效處理，減小應力變形。工件粗加工和半精加工后進行分級時效，均衡內部組織、釋放殘余應力，根據零部件結構及技術要求安排工序次數和裝夾方式，并在時效處理工序，規定爐內零件的均勻擺放區域。⑤防止磕碰工件。針對薄壁管件零件表面劃傷、磕碰現象，在工藝設計過程中，需根據零件加工階段的實際需要制作專用流轉箱。

（4）合理選擇機床刀具的幾何參數和切削加工參數。①粗加工時采用普通車床，刀具的刀尖圓弧一般為R0.4mm，薄壁鋁管件粗加工的加工余量在直徑方向上一般為3～4mm，端面一般為3～4mm。切削參數一般為：切削速度v＝180～250m/min，進給量f＝0.2～0.3mm/r，背吃刀量ap＝1.5～2.0mm。②半精加工時，選用狀態穩定的普通車床或數控車床，選用的刀具刀尖圓弧為R0.2～R0.4mm。半精加工的加工余量在直徑方向上一般為1～2mm，端面一般為0.5～1mm。切削參數一般為：切削速度v＝180～250m/min，進給量f＝0.2～0.3mm/r，背吃刀量ap＝0.25～0.50mm。③精加工時，宜選用精度高、狀態穩定、冷卻充分的數控車床，每班在零件加工前，需對設備進行預熱，達到設備穩定狀態后再開始加工。根據零件加工的精度要求，在加工前應檢查設備主軸的徑向跳動和軸向竄動情況，滿足加工要求后開始加工。

精車較高精度的薄壁套鋁管類零件時，刀柄的剛度要求高，刀具的修刃不宜過長，刀具刃口要鋒利，刀尖圓弧半徑R＝0.2mm，使徑向力減小，從而減小切削時的擠壓變形，刀具角度要求如下：①外圓精車時，κr＝90°～93°，κr′＝15°，αo＝14°～16°，αo′＝15°，λs適當增大，γo＝15°～20°。②內孔精車時，κr＝60°，κr′＝30°，αo＝14°～16°，αo′＝6°～8°，λs＝5°～6°。

使用數控刀具精加工內孔時，適用內冷圓夾緊阻尼減振刀桿，便于切削時切削液通過刀桿中間孔直接澆注刀切削區，同時便于快速更換刀片。宜根據所加工零件的尺寸形狀、材料等合理選用專用于鋁合金材料加工的數控刀片。

精加工選用的刀具刀尖圓弧一般為R0.2mm，重復部位采取多刀階梯式切削，即最后一次車削的刀具應與前面工步使用的刀具分開使用，以保證最終加工質量。

精加工余量在直徑方向上一般為0.3～0.5mm，端面一般為0.2～0.3mm。切削參數一般為：切削速度v＝60～65m/min，進給量f＝0.05～0.1mm，背吃刀量ap＝0.05～0.15mm。

改變夾緊方式，應用軸向夾緊夾具，解決高精度薄壁鋁管件的夾緊變形問題。車削薄壁工件時，一般不能使用徑向夾緊的方法，最好應用軸向夾緊方法。針對零件筒體的結構尺寸，設計了粗車、半精車和精車夾具，并根據切削力的大小，逐漸減小夾緊力，從而減小或消除因夾緊力而產生的變形。半精車、精車外圓時使用的軸向夾緊夾具結構如圖2所示，半精車、精車內孔時使用的軸向夾緊夾具結構如圖3所示。

粗車時，使用彈性脹瓦（見圖4）、開縫套筒和特別扇形軟卡爪增大裝夾接觸面，使夾緊力均勻分布在工件上，夾緊時不易產生變形。

圖2

圖3 1.左端蓋 2.夾具體 3.工件 4.右端蓋

4.工藝方案

加工較高精度薄壁鋁管件筒體的工藝方案如下。

（1）粗車。按圖樣成品尺寸，單邊留余量2～3mm。

（2）時效處理。均化組織及加工應力，使組織更趨穩定，減少因組織變化引起的組織應力及因機械加工產生的加工應力引起的變形。時效處理溫度為150℃，保溫6h。

圖4

（3）半精加工。外圓和內孔直徑留量1～2mm，長度留量0.5～1mm。

（4）時效處理。與工序（2）內容相同。

（5）基準加工。使用車床脹瓦夾具，車削筒體外圓，按圖樣要求，全長尺寸留量0.2～0.3mm；使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削基準孔，為基準精加工留量0.3～0.4mm。

（6）穩定處理。采用冷熱循環或冷熱沖擊時效。穩定處理工藝步驟為：冷處理→保溫2～3h→空冷回室溫保持2～3h→熱時效→保溫2～3h→爐冷至≤80℃后空冷。根據尺寸穩定情況確定處理循環次數、工序位置及加工參數。

（7）基準精加工。使用車床脹瓦夾具，按圖樣要求控制全長尺寸；使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削基準孔，應保證零件基準定位尺寸的加工一致性，確保精加工時，零件與夾具定位部位達到較好的配合要求。

（8）數控精加工。以內孔為基準，使用軸向夾緊夾具精車外圓（見圖5），根據切削力，減小夾緊力，使外形尺寸達到圖樣要求。以外圓為基準，使用車床套筒軸向夾緊夾具，車削內孔各尺寸（見圖6），達到圖樣要求，精加工φ129+0.04+0mm尺寸時，夾緊力適當減小。

圖 5

圖 6

（9）檢驗。一般尺寸的檢測盡可能采用通用量具。對于高精度關鍵和重點尺寸的檢測可利用專用量具，三坐標測量儀、氣動測量儀比較準確。對于要求高的形位精度檢測，為了客觀反映零件加工的實際狀態，允許進行機內測量，即在原加工設備上使用加工時所用的工裝夾持零件進行打表驗收。

（10）工件經檢驗合格后，用汽油清洗干凈，成品如圖7所示。將單個零件裝入爐料袋中，放入專用周轉箱里流轉，零件轉表面精飾后盡早安排氧化處理，以免因放置產生銹蝕。

圖 7

5.結語

通過對高精度薄壁鋁管件筒體的加工工藝試驗和技術攻關，較好地解決了高精度薄壁鋁管件的加工難題，在批量生產中推廣應用，為以后類似產品的加工提供了很好的經驗。