鋁制球殼的加工工藝改進

陳書楊 鮮海峰 王維榮 王學軍 吳黃世璋 趙信文

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621000）

大部分鋁材料具有剛性差、強度低的特性，在加工中極易產生形變。加上零件的形狀比較復雜，使零件加工的形位誤差增大，不易保證零件的加工質量。大部分球殼類零件的加工難點在于其零件的剛性較差，強度弱，裝夾困難，易變性。不易保證零件的加工質量。影響球殼零件加工的主要因素主要有3 點：a.受力變形：大部分球殼件為薄壁件，加工受切削力擠壓易使工件變形，故切削時應選用前角較大的刀具。b.受熱變形：切削加工產生的切削熱量使工件尺寸難以控制，加工應澆注冷卻液。c.振動變形：在切削力的作用下，易產生振動和變形影響形狀和尺寸位置精度及表面質量，選用道具剛性應足夠強。通過改進薄壁零件的加工工藝可提高加工效率及產品合格率，節約成本和時間。下面我將通過例子具體介紹一種通過預留工藝卡頭加工薄壁零件的新工藝。一般的加工工藝加工較困難，為此根據鋁制球殼的特性，應合理選用夾具、刀具、切削用量等等。

圖1

1 工件的裝夾

在裝夾的過程中，裝夾力過大，易使工件變形；裝夾力過小，在車削過程中可能因松動而產生扎刀現象，直接使得產品脫落報廢。車削加工常用的裝夾工具為三爪卡盤，作用力在3 點使得薄壁零件夾緊力不均，從而使夾緊力大的位置產生過切現象，加工后的成品壁厚不均。因此薄壁零件裝夾應使零件的裝夾面每一點的作用力保持均衡。根據公式P=F/S，可以指導，在壓力一定的情況下，接觸面積越大，壓強越小。此球殼零件無法通過支架裝夾加工成型，結合多年機械加工經驗綜合考慮裝夾問題得出解決方案：預留工藝臺階，三爪卡盤裝夾工藝臺階加工內外形，增加工藝臺階的裝夾接觸面。

2 選擇刀具的幾何角度

刀具幾何角對車削過程中的切削力大小及熱變形、排屑等都有很大影響。前角大小影響切屑的形狀及刀具的鋒利程度。前角越大，刀具越鋒利，切削力越小。車鋁的前角一般取20°左右。后角影響刀具后刀面與工件的摩擦情況。后角大，摩擦力就小，切削力就小，一般選擇6°至8°。刀具主偏角決定刀具在軸向與徑向的分力大小。主偏角越大，徑向力越小，軸向力大。加工薄壁件時應選擇刀具主偏角為93°。為便于排屑，刀具應有斷屑槽，斷屑槽圓弧半徑一般選5mm 左右。綜合刀具角度分析得出：刀具選擇為刀尖角為55°的外圓刀和55°的內孔車刀。

3 切削用量的選擇

車削球殼件過程中的變形是多方面的，裝夾的夾緊力，切削產生切的切削力，工件在切削時產生的彈性變形和塑形變形，溫度產生的熱變形。減小切削力需要合理選擇切削三要素。粗車時選擇大切削深度和大進給，在保證刀具壽命的前提下，合理選擇切削速度；精車選擇切削厚度一般為0.2-0.4mm，進給量根據工件表面質量要求選擇一般為0.05-0.08mm/rad。

4 切削液的選擇

在切削過程中產生切削熱，70%的切削熱由切屑帶走，其余30%由工件及刀具承受。切削產生的熱量是刀具的硬度降低，使工件產生熱變形。充分加注切削液不但可以降低刀具和工具承受的熱量，而且可以起到潤滑和清洗的作用，減少刀具的磨損，提高工件加工的表面粗糙度。加工鋁件要選擇潤滑好及黏度小的油性液。經過反復實踐，選用機油和柴油混合液不易粘刀而且表面粗糙度可達到0.6um。

5 工藝制定

該零件為半球，具有薄壁（1mm），裝夾難度大，尺寸精度不好控制等特點，傳統方法是通過先進行外球面加工，設計專用夾具，再加工內球面，該方法中夾具結構復雜，拆卸麻煩，成品率低的缺陷；夾具螺紋接觸面是直接保證的尺寸，由于接觸，無法直接測量，使內腔深度尺寸精度及薄壁厚度失控；由于工件和工裝之間配合力較小，內腔切屑易積屑，加工容易出現打滑；由于配合力較小，粗加工時不能選擇較大進給和切削深度，加工效率較低。對比傳統加工，優化工藝得出最新加工工藝（圖2）。

圖2 改進后加工步驟

具體工藝安排如下：a. 備料：長度大于供給實際長度10mm，直接大于實際直接10mm；b. 粗車內輪廓：裝夾外圓面，粗車內輪廓、平另一側端面、另一次外圓見光，需注意孔口預留3.5mm 工藝段；c. 粗車外輪廓：倒頭裝夾，粗車另外輪廓，預留工藝卡頭1、工藝卡頭2，需注意刀具進給方向、外輪廓需多車削3.5mm 工藝段；d. 熱處理：半成品熱處理，消除內應力改善切削性能；e. 精車內輪廓：裝夾工藝卡頭2，精車內輪廓及端面，精車工藝卡頭1 外圓；f. 精車外形面：裝夾工藝卡頭1，去除工藝卡頭2，精加工外輪廓；g. 切斷成型：運用特制2.5mm 寬切斷刀切斷，去毛刺成型，需注意特制2.5mm 切斷刀為切斷刀一側刃磨后比較尖銳，刃磨后圓角約0.2mm。改進后的加工工藝具備：a.節約30%材料成本；b.節省50%加工時間;c.成品率較高。

結束語

隨著數控技術的廣泛運用，機械加工能夠達到的精度越來越高。新工藝路線運用不但能夠為企業節約加工成本提高加工效率，而且可以為企業在行業競爭中脫穎而出為企業增加競爭力。以上是我在加工鋁制球殼件過程中的一種新方法，較好的解決了車削過程中出現產生的一些問題，為同類產品加工提供借鑒。