鋁合金大直徑軸類薄壁零件加工工藝方案

陳亮 袁芬芬 陳海瑩

摘 要：本文通過對典型鋁合金大直徑軸類薄壁零件的加工工藝研究，針對零件加工的相關質量制約因素，采取了一系列的解決方案，從而歸納出可借鑒的加工工藝方案。

關鍵詞：鋁合金大直徑軸類薄壁零件;加工變形;殘余應力;裝夾變形和回彈

中圖分類號：TG306 文獻標識碼：A

0 引言

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料。鋁合金大直徑軸類薄壁零件加工時裝夾難度高，加工后變形大，直接影響到零件的使用性能。

1 問題描述

零件材料為2A12-H112。在機械加工完成后，出現以下幾個問題：

①零件車削完成后，零件變形，造成φ289+0.2+0.1，φ2850-0.1尺寸超差。②零件加工完成后扭曲，零件平面度差，造成φ231+0.6+0.05，φ248-0.1-0.6。③零件表面粗度差，夾緊時易夾傷。

2 加工工藝分析

2.1 加工路線

粗車內孔-半精車內孔及外圓-精車內外孔及厚度-線切割加工槽-數銑臺階及加工孔。

2.2 加工工序分析

（1）普車工序。在半精車及精車加工規程中，因車削的余量大，零件為薄壁件，加工完成后產生大量應力，應力釋放后引起零件變形。零件中φ289+0.2+0.1，φ2850-0.1公差較小，當變形量大于尺寸公差時，尺寸超差。

零件尺寸大，使用硬質合金車刀加工時刀具阻力大，粘刀尖，零件產生熱量大，零件表面有積屑瘤，表面粗糙度減低。

零件尺寸加大，卡盤正爪夾不住，采用反爪裝配。反爪上墊銅片夾緊。爪子夾得過緊，零件變形;夾松零件夾不住。零件與爪子的夾緊部位變形大，尺寸偏小。

（2）線切割工序。線切割割槽對零件影響較小。

（3）數銑工序。零件數銑開槽后，零件發生應力變形，切槽端面尺寸變小，原車工加工面的尺寸變大。該加工變形由銑削加工開槽時應力變形造成，退火去應力并不能將其內部應力變形消除，零件端面發生了拱起現象。精銑預留1 mm余量加工，并不能將前工序拱起面加工掉。同時加工一端面會產生應力變形，會使另一端面的尺寸發生變化。通過數據分析統計該零件的應力變形量為0.45 mm。

該零件材料為鋁合金，零件尺寸較大，壁厚較薄，在銑削加工時，產生了應力，使零件變形。

2.3 工藝性分析

鋁合金具有密度低，強度較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性。但是鋁合金材料在加工后容易變形的，直接影響到零件的使用性能。

鋁合金硬鋁板料在軋制后表面產生壓應力，而心部呈拉應力狀態。如對板料進行表面切削加工，由于板料表面的拉應力的變化，則可能引起零件翹曲。

因此造成零件加工變形的主要因素是鋁合金材料加工產生的應力。

2.4 總結

通過以上分析，總結以下幾個特點：

①車工需合理安排加工步驟和加工余量。②鉆孔、割槽后零件尺寸變化小。③銑齒后零件變化量較大，造成尺寸超差。④去應力退火后零件變形不能恢復。

3 制定對策

對策1：將車工分為粗車、半精車、精車;合理安排加工余量;研究制作專用車工刀具;調整裝夾方式。

對策2：先將槽割開，待數銑加工鉆孔。

對策3：數銑前內外圓預留余量;數銑分多步驟，先將臺階銑開，再銑內外圓尺寸;研究制作專用銑工夾具，減少裝夾對零件影響。

對策4：普車及數銑工序間增加人工時效去應力退火。

4 對策實施

對策1：①粗精車時，合理安排切削余量。當車削余量較大時，零件加工產生大量的切削熱，熱量越大零件變形越大。加工時可以分多步車削，精車前預留1 mm余量，再精車至尺寸。采取低轉速、低走刀量方式，車刀噴注切削液。②針對零件中間切削余量最大的孔，采用端面挖槽的方法直接從端面將中間的余量兩次掏下來，這樣節約了時間，零件加工產生熱量也會降低。③采用白剛刀取代硬質合金刀加工。白鋼刀加工中刀具阻力較小，不易產生切削熱和積屑瘤現象。④制作雙面刃車刀，既能加工外圓又能車內孔，減少換刀次數，提高車削加工精度。

⑤在反爪上焊接一根銅棒，銅棒的直徑為60 mm，增加夾緊部位與零件接觸面，減少零件受夾緊的變形量。

對策2：①數銑前預留足夠余量，精銑加工形成尺寸，通過銑削加工消除零件變形。②數銑銑臺階先將圓銑開，再加工臺階內外圓，先讓零件充分應力變形，控制零件平面度。③根據以上數據變形趨勢，安排合適刀具補償，保證零件尺寸公差。

制作數銑工裝將零件提高零件壓緊定位準確性，防止零件夾傷。

對策3：普車及數銑工序間增加人工時效去應力退火。

5 效果驗證

改進后零件加工尺寸穩定，零件質量高，工藝性較好，提升了零件加工效率，節約生產成本。

6 結論

鋁合金零件加工變形產生原因：毛坯殘余應力的釋放、切削熱與切削力引起的變形、工件的裝夾變形和回彈

鋁合金軸類薄壁零件，先粗去余量，然后熱處理去應力后，再精加工。夾緊零件的時候，需要注意盡量選取壁厚的部位，避免因夾緊力與支撐力的作用點選擇不當，會引起附加應力。工藝路線可以是：粗加工→熱處理→半精加工→熱處理→精加工。

參考文獻：

[1]有色金屬工業標準匯編輕金屬[M].中國標準出版社，1992.

[2]王秋成.航空鋁合金殘余應力消除評估技術研究[M].2003.

[3]王秋成，何映林.航空高強度鋁合金殘余應力的抑制劑消除[M].2002.

[4]王立濤，何映林，黃志剛，等.航空結構件銑削殘余應力分布規律的研究[M].2003.

[5]李鵬.解決鋁合金加工變形的方法[M].2008.

[6]機械加工工藝手冊[M].北京出版社，1990.