大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件車削加工

■天津航天長征火箭制造有限公司 （天津 300462） 高顯勝 周 揚 李澤宇 王 龍

大型零件的特點不僅是尺寸大、質量大，而且加工周期長、精度要求高。下面以鑄鋁零件扇形框的車削加工為例，從加工刀具、參數選取、測量方法及工藝路線等多個方面進行分析，由此提出一種可實現大直徑非封閉圓薄壁鑄鋁合金產品加工的車削工藝方法。

1. 加工難點分析

1）零件材料是鑄鋁合金ZL104，車削時粘刀，車削后表面粗糙度值高。如圖1所示，零件尺寸較大，最大外圓直徑為（5 000±0.2）mm，不易測量。（說明：主視圖上“5°”為工藝加長部分，最后銑削去除。）

2）零件外形輪廓為1/4圓，車削時為斷續切削，車削過程中入刀和出刀會產生振動，同時零件兩端會有彈性讓刀，影響最后精車精度。另外，車削過程中鑄造內應力的釋放會引起工件變形。

3）零件為不規則薄壁件，在車內孔、外圓時，因切削熱應力，工件兩端會發生較明顯的向外或者向內變形，使最終零件的幾何公差不易保證。零件形狀不規則，相對不好裝夾，車削工件最下面（平面度為0.2mm）時，需要做工裝。

綜上所述，扇形框零件加工難點主要為鑄鋁的斷續車削、尺寸的測量、工件的裝夾及防止或減小變形。

圖1 零件結構

2. 解決方案

鑄鋁的塑性好、粘性大，切屑和刀具表面摩擦力大，車削時容易造成鋁切屑粘刀。ZL104為Al-Si合金，耐磨性好，因此刀具要耐磨。粗車余量大，背吃刀量大，切削時間長，要求切削刀具鋒利，同時又要有較好的耐磨性和較高的加工效率。綜合考慮刀具的耐磨性和鋒利性，使用YG6X 硬質合金車刀較好。精車時使用高速鋼（W6Mo5Gr4V2)車刀，切削更順暢輕快，減小切削力和切削熱，控制工件切削變形。同時這兩種刀具的抗振性能也比較好，能夠滿足斷續切削的要求。

（1）刀具幾何形狀、主要參數的確定 YG6X 粗車刀，主偏角根據車削位置不同分別取45°和90°。由于工件毛坯砂眼處的堅硬物質易使車刀崩刃，綜合考慮車刀的強度和鋒利性，前角取20°～ 25°，后角取6°～ 8°。這樣車刀鋒利，減小了切削力，又不易引起振動，同時又有較好的強度，并且前、后刀面刃磨得要盡量光滑。容屑槽寬15mm以上（盡可能寬大），接近開放式卷屑槽，這樣能夠減小切屑流出時的塑性變形，減小流動摩擦，使進給力不會因為切屑的堆積、擠壓產生較大變化，而使切削不平穩。刃傾角取大約－15°，目的是為了在斷續切削過程中，使刀具逐漸切入和切出，盡量減小因沖擊而引起的振動。

高速鋼精車刀，克服精加工變形，是保證幾何公差的關鍵。為了減少工件變形，盡可能減小徑向切削力和切削熱的產生，精車時盡量選用大前角、大后角及大主偏角。主偏角90°，前角取25°～ 28°，后角取10°。副偏角取15°，主要為減少副切削刃與工件之間摩擦產生的熱量。刃傾角取0°，以減小徑向切削力為主，因此不考慮切屑流向。盡管精車時吃刀量很小，但容屑槽仍開得較大，避免因排屑不順暢，切屑產生堆積。刀尖圓弧0.4mm左右，要大于進給量，利于降低表面粗糙度值。前刀面盡量磨得光滑些，以減小刀具與切屑的摩擦。手工刃磨后，用油石鐾切削刃及刀尖圓弧，降低刀具切削部分的表面粗糙度值。

（2）切削用量的選擇 粗車時，切削速度取150m/min，吃刀量2～3mm，進給量0.4mm/r ，并在工件表面涂抹機油，使切削順暢，但在切削熱的作用下，機油會冒煙并伴有刺鼻氣味，對空氣污染嚴重。后采用干車削，并加大切削速度至200m/min，利用產生的熱量使工件與刀具之間的切削層面處于微熔軟化狀態，以此減小切屑與前刀面之間的摩擦。起初切削還算穩定，但是車削一段時間后，不僅前刀面上出現積屑瘤，而且在后刀面上積聚出很硬的鋁瘤，并牢牢地冷焊在后刀面上，使后角明顯變小，切削刃變鈍，切削抗力明顯增大。如果繼續增加切削速度，由于旋轉半徑較大，又為不對稱形狀，工件會產生很大的離心力。另外，切削熱太大不僅容易造成薄壁零件變形，而且斷續切削產生的沖擊明顯加大，于是車削時可以在工件表面刷乳化液，效果較好，但是費力、麻煩。后來通過自制滴注乳化液的裝置，其原理與醫用打點滴的裝置類似，效果很好，既省力又干凈，優化后的切削速度取180m/min，加工效率明顯提高。粗車時吃刀量不易太大，一般＜5mm，否則斷續切削沖擊力太大，切屑擠壓在容屑槽內不易流出，增加進給抗力。

由于精車時要盡量減少切削熱，所以各切削用量選得較低，切削速度取80m/min，吃刀量0.2～0.4mm，進給量0.1～0.2mm/r。由于硅鑄鋁對高速鋼產生的磨粒磨損明顯，所以不適合高速車削。

（3）工裝 為實現工件在垂直方向的定位，立式車床裝夾時需要做4塊弧形墊塊（見圖2），材料HT200，中間留有起吊用的通孔，下面的方槽用來固定弧形墊塊。弧形墊塊用大平面磨床將兩面見光，做到高度一致，以保證定位精度。并且在固定弧形墊塊時，要先在工作臺面上水平推拉幾次，以保證下端面和工作臺面貼合嚴密，減小安裝誤差。墊塊通過壓板、螺栓及墊鐵等附件固定在工作臺上。安裝位置可以通過工作臺面的同心圓刻線與鋼板尺配合，很容易確定。固定后，用百分表檢查弧形墊塊上端面的圓跳動和平面度。在以后的生產中，為了工裝更合理，在弧形墊塊兩端面還開了幾道溝槽，利于貼合機床轉回臺面和工件表面。

（4） 測量測量零件φ5 000mm尺寸時，工件需在工作臺上加工完畢尚未移動時測量（見圖3）。先用內測千分桿測出內徑D1，再用卡尺測得壁厚尺寸H，這樣工件外徑為d1＝D1＋2H。由于是單件生產，需要加測量用對稱塊。對稱塊的位置、車削余量及材料要合適。該零件需加3個對稱塊，并且認為對稱塊不發生變形。測得3個尺寸不一致，是由于工件變形引起的。在后來該產品的車削加工時，將2件扇形框零件一起車削，可對稱放置，方便了該測量方法的使用。

尺寸校驗如圖4所示，已知工作臺外徑尺寸d（通過激光測量所得），借助車床X軸坐標和百分表，測得工作臺外圓與工件外圓X軸坐標差為t1－t2，可得工件外徑為 d1＝d－(t1－t2）。注意百分表一定要對準車刀中心高，也就是直徑處，否則測得坐標差值偏大，所得尺寸不準確，即 |t1－t2|＜|t1－ t2|，這種方法測量準確快捷。

（5）車削工藝路線 車削工藝路線按照下面幾個步驟進行。

1）制定合理的工藝路線。粗車前的毛坯件經過人工時效處理消除鑄造應力。因生產要求比較急，第一次單件生產時只用了粗車→人工時效→精車工序。在精車時，盡管優化了切削用量和車削路徑，在每次檢查內、外圓變形量時，都超過了0.1mm，給最后幾何公差的保證帶來了不利影響。為減小應力變形對加工最終尺寸的不利影響，提出工藝改進，最后確定較合理的工藝安排為：粗車→人工時效→半精車→人工時效 →精車。

圖2 墊塊

圖3 工作臺上測量工件

圖4 尺寸校驗

圖5 粗車示意

2）粗車（見圖5）。先以毛坯面為粗基準，車出A面作為精基準，再對整個零件粗車，這符合精基準選擇原則。為降低定位面A的表面粗糙度值，最后一刀時，適當降低切削用量，并在工件表面涂抹適量煤油與機油混合物，實踐證明效果較好。在以毛坯面定位時，毛坯面與床面間隙處要塞以銅皮，盡量消除大面積接觸不實，以防止振動。粗車時留工藝夾頭“G”，以方便裝夾。粗車后夾頭要去除，防止精車時因夾頭的去除增加應力變形，給精車帶來更多困難。由于鑄件毛坯的表面很粗糙，車第一刀時為避免刀尖接觸其粗糙的表皮硬層，所以第一刀要合理加大切削深度。盡管是粗車，在粗車過程中也要經常放松壓板，讓工件自由變形，釋放應力，并應多次調整壓板，以保證各面均勻留加工余量5 m m。鑄造殘余內應力，在粗車去掉大量材料后，零件會發生較明顯的變形。一般情況下，車內圓時，工件兩端會向內變形；車外圓時，工件兩端會向外變形，而切削熱應力使工件變形的方向正好相反。如果單從這方面考慮，粗車時，切削熱應力有利于抵消鑄造應力引起的工件變形。由于粗車時夾緊力較大，工件會有軸向彈性變形，彈性回復后引起的誤差很小，會在以后的工序中得以補償。由于轉速較高，故單件生產時需加平衡塊，否則有可能影響機床主軸回轉精度。

3）半精車。使用高速鋼，克服加工變形，是保證幾何公差的關鍵。利用弧形墊鐵，先將定位基準面A車出，而后車出全部，各面均勻留2mm精車余量。半精車時可模擬精車加工，優化出合理的加工路徑和切削用量，并檢測工件在不同車削條件下產生的變形量，為精車工序做參考準備。加工路徑對加工過程中殘余應力的分布趨勢產生作用，根據被加工材料盡可能對稱分布的道理，確定加工順序為：A →D →B →F →C →E（見 圖5）。在檢查變形量時，用百分表壓工件一端，然后松開該端壓板，觀察變形方向及大小。在反復倒壓板的過程中，要先倒兩端，最后倒中間，防止工件在此過程中位置發生變動。為防止工件兩端在車刀出入時產生振動和彈性變形，在工件兩端增加輔助支撐，其結構如圖6所示。加工時，只要用壓板頭部抵在工件后面靠實即可。另外用銼刀在工件入刀、出刀處銼出45°倒角，可明顯減小入刀與出刀時的沖擊。

圖6 工件兩端增加支撐

4）精車。為了車后工件表面美觀，不宜用乳化液，因為用后工件表面會變灰。另外，由于鑄鋁粘刀，容易產生積屑瘤，影響工件表面質量，因此精車時在工件表面刷適量煤油與機油混合物，效果很理想。工件放在弧形墊鐵上時，盡量放平擺正，用塞尺檢查與弧形墊鐵貼合面有無微小縫隙，若有，用薄銅皮或者薄紙片塞實，再將工件四面用壓板頂住，車出定位面A，翻過來以A面定位車其他面。車削過程中吃刀量要逐刀減小，并且逐刀變換車削位置。各面車削順序原則：車一刀某面，第二刀盡量車這個面的對立面。例如，該零件車完一刀F面后，下一刀應該車B面，其目的就是為了減小因變形而引起的誤差。車B面時（見圖7），壓在A面的壓板壓力要合適，既要固定住工件，又不能讓工件發生彈性變形，因此壓板壓力要用力矩扳手嚴格控制。實際工作時，依經驗靠手感控制力矩大小。在壓板與工件接觸面上墊以鋁塊，這樣既可以保護A表面不被壓傷，又可以增大受壓面積，防止工件因受壓發生彈性變形。

圖7 精車B面

5）觀察該零件并分析。圖5中C面與E面的根部R處，厚度相對較厚，該處在鑄造冷卻時應該最慢，即使工件經過去應力時效，仍然會有殘余應力，此面應先車出，讓其釋放潛在的變形。另外，保證該零件幾何公差的關鍵是B面與A面，這兩個面最后車出比較合適。綜合以上因素，確定先精車工件的內形面，并將F面一并車出，控制尺寸為φ（4 440±0.2）m m。A面留0.4 ～0.5mm，B面留0.3～0.4mm余量。以D面作為定位基準，利用工裝，用壓板頂工件四面，車出A面；再用壓板輕壓A面，將B面車至尺寸。工件車削完畢后，工件兩端頭部直徑變化接近0.08mm，主要因為這兩個部位距離支撐較遠，剛性差，車刀在出、入工件時，工件兩端有微量彈性變形，并且表面有振痕。解決辦法是兩端加長大概5°所對的弧長（見圖1），加工完成后銑削去除。

精車A面通常安排在下午進行，其道理是機床通過上午的運轉和工作，機床溫度與環形導軌油溫已趨穩定，工作臺面穩定。另外，精車進給過程中不易再調節主軸轉速，因轉速的變化會引起導軌油膜厚度的變化，其對工作臺浮動也有影響。最后零件經檢驗員用激光跟蹤儀精密測量，達到了圖樣要求。

3. 結語

由最終測量結果得出，采用以上工藝路線和加工方法，選擇的刀具和切削參數，可以滿足設計圖樣尺寸的要求，解決了加工變形問題。該加工方法不僅提升了大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件制造技術水平，而且為以后加工類似零件積累了寶貴經驗。