鋁合金薄壁外殼數(shù)控車加工工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用

馬先銘

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

薄壁殼類零件在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，它具有質(zhì)量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。回轉(zhuǎn)體的薄壁零件一般選擇在車床上進(jìn)行加工也是車削中的難題，原因是薄壁零件一般形狀結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜，剛性相對(duì)不足，機(jī)械加工時(shí)容易變形，形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。

薄壁零件的生產(chǎn)，需設(shè)計(jì)合理的加工工藝、專用夾具和車削刀具。在數(shù)控車床上加工，可提高加工精度并有著較高的生產(chǎn)效率。在充分考慮加工工藝對(duì)零件加工質(zhì)量的影響后，對(duì)工件的裝夾、刀具選用和切削參數(shù)、數(shù)控車程序的編制等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。有效克服薄壁工件加工困難，確保加工零件的精度要求。

1 設(shè)計(jì)思路與過程

1.1 鋁合金薄壁外殼的結(jié)構(gòu)和加工工藝分析

圖1所示工件是礦用防爆電器產(chǎn)品上的一外殼零件，AL102鋁合金壓鑄件，生產(chǎn)形式為大批量加工，對(duì)零件的互換性要求較高。其左端面上設(shè)置有兩個(gè)偏心接線嘴1，工件整體為薄壁殼體結(jié)構(gòu)，平均壁厚為3～4 mm。

礦用產(chǎn)品防爆電器的外殼在其性能和零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求等方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836-2010，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都有著特殊規(guī)定，無論從外殼結(jié)構(gòu)和技術(shù)質(zhì)量、形位公差和表面質(zhì)量等方面要求均較高。

圖1所示工件為圓形回轉(zhuǎn)體，宜選擇在數(shù)控車床上加工[2]。其中槽2、外防爆面3和內(nèi)防爆面5、內(nèi)凸臺(tái)4（如圖1）的同軸度、垂直度、圓度等都有嚴(yán)格的要求，必須一次定位裝夾中加工完成所有幾何尺寸至要求，不可重復(fù)定位安裝。

圖1 工件示意圖

以外凸臺(tái)6位置作為工件的定位基準(zhǔn)，裝夾在車床三爪卡盤上一次安裝車削全部的幾何尺寸。如圖1所示，此工件本工序有5個(gè)工步位置要加工，所使用的車刀涉及外圓刀、外溝槽刀、端面車刀、鏜孔刀及中心位置的內(nèi)凸臺(tái)刀等多種類型。

1.2 工件裝夾方案及夾具設(shè)計(jì)

1.2.1 工件裝夾定位工藝分析

由于圖1所示工件是鋁合金材料的薄壁類殼體，工件在裝夾時(shí)存在以下幾個(gè)方面的問題：首先鋁合金材質(zhì)質(zhì)地較軟，又屬于薄壁類零件，裝夾易變形造成工件形位公差超差，嚴(yán)重的情況甚至工件被夾扁造成報(bào)廢，不宜采用較大的夾緊力[3]。還要解決工件變形首先要加大卡爪與工件的接觸面積，而傳統(tǒng)卡爪夾緊與工件的接觸僅為點(diǎn)線接觸，接觸面積小，因此必須對(duì)卡爪進(jìn)行改進(jìn)。由于圖1所示工件有兩個(gè)偏心接線嘴1且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，傳統(tǒng)的三爪卡盤的卡爪已不適用。

另一方面選擇外凸臺(tái)6為工件加工的裝夾定位，此處是工件平均壁厚最大也是唯一可以選擇的位置。但此凸臺(tái)6長(zhǎng)度較短，外圓又有1.5°的鑄造拔模斜度，不利于工件的裝夾。充分考慮上述幾個(gè)方面的因素發(fā)現(xiàn)，必須對(duì)設(shè)計(jì)制造專用的卡爪來適應(yīng)工件的裝夾要求。

1.2.2 夾具的設(shè)計(jì)

圖2所示為改制的三爪卡盤卡爪，由卡爪主體1、斜面2、錐臺(tái)圓弧面3組成。斜面2（如圖2）是工件安裝時(shí)與工件斜面13（如圖1）貼合作為工件的軸向定位基準(zhǔn)，錐臺(tái)圓弧面3是工件夾持工件外凸臺(tái)6（如圖1）的徑向定位基準(zhǔn)。

加長(zhǎng)卡爪的軸向長(zhǎng)度以適應(yīng)工件長(zhǎng)度裝夾要求，需專門定制未進(jìn)行熱處理的軟爪進(jìn)行改制后使用。按照工件外凸臺(tái)6的斜度車出錐臺(tái)圓弧面3，按照工件斜面3（如圖1）的斜度車削圖2所示的斜面位置。錐臺(tái)圓弧面3車加工后形成較大的圓弧面，增大了卡爪的夾持面積，可避免工件夾持變形，重復(fù)定位精度穩(wěn)定。

圖2 卡爪結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 刀具選擇

圖1所示零件車削加工部分為外溝槽2、外防爆面3、內(nèi)凸臺(tái)4、內(nèi)防爆端面5等。因此，數(shù)控車加工過程中至少選擇4把刀具，具體如下：

T01:焊接式硬質(zhì)合金外圓車刀，刀片為C型，主偏角95°，主要用于加工外輪廓的粗、精加工。采用較大的主偏角Kr=95°，負(fù)偏角Kr′=10°，主后角α0=8°、副后角α0′=5°，選用γ0=15°的前角，λσ=-2°的負(fù)值刃傾角，刀具刀刃鋒利切削力減小，刀具切削中車削阻力小產(chǎn)生的切削熱降低，工件變形量減小[1]。刀具磨制較大的圓弧斷屑槽，刀刃的鋒利排屑順利。刀尖取R0.2 mm的圓弧修光刃。精車時(shí)采用小吃刀量、反向走刀的方法并選用合理的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度可達(dá)到較小的表面粗糙度值。

T02：焊接式硬質(zhì)合金內(nèi)孔車刀，刀片為C型，主偏角為93°，主要用于內(nèi)孔輪廓的粗、精加工。采用Kr=93°的主偏角、10°的負(fù)偏角、5°的主后角和副后角、15°的前角，使徑向切削力較小切削輕快[1]。選用R30的圓弧斷屑槽，刀刃鋒利不易粘附切屑瘤，容屑能力強(qiáng)、排屑順暢，有利于車削內(nèi)防爆面5（如圖1）位置高表面質(zhì)量[3]。

T03：凸臺(tái)車刀，屬特殊制作磨制的焊接式硬質(zhì)合金外圓車刀，C型刀片，刀片寬度8 mm，主后角α=10°，副偏角8°。

T04：機(jī)夾式硬質(zhì)合金切槽刀，刀片寬度為3 mm，主后角為8°，兩個(gè)副后角為5°，主要用于加工外槽的粗、精加工。

所選定的刀具參數(shù)如表1所示，以便編程和操作管理。

表1 薄壁外殼數(shù)控加工刀具卡片

1.4 安排加工順序

圖1所示工件的加工順序?yàn)椋汗ぜ殇X合金壓鑄件，毛坯切削余量不大，為2 mm左右，考慮內(nèi)外防爆面的精度和表面粗糙度的要求，加工時(shí)應(yīng)分為粗車和精車，可提高零件的加工精度。從圖1所示工件分析來看，其有內(nèi)孔面也有外圓表面，加工順序應(yīng)為先粗車內(nèi)、外表面，再精車內(nèi)表面和外表面。

1.5 選擇切削用量

粗加工一般以提高生產(chǎn)效率為主，選擇盡可能大的背吃刀量和進(jìn)給量，同時(shí)兼顧考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；精加工首先保證加工質(zhì)量，選擇較高的切削速度和較小的進(jìn)給量，同時(shí)兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性。 根據(jù)圖1所示工件的各工步內(nèi)容選擇使用的刀具，粗車時(shí)選擇主軸轉(zhuǎn)速800 r/min，橫向進(jìn)給量與縱向進(jìn)給量選擇0.2～0.3 mm/r，切削深度為1～2 mm；精車時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為1200 r/min，橫向進(jìn)給量與縱向進(jìn)給量選擇0.05～0.10 mm/r，切削深度為0.1～0.2 mm。

1.6 工藝文件設(shè)計(jì)

綜合上述工藝分析的各項(xiàng)內(nèi)容，制定數(shù)控車加工工藝卡，如表2所示。

表2 薄壁外殼數(shù)控加工工藝卡

1.7 程序編制

在FANUC-oi數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床上加工圖1所示薄壁外殼，由于篇幅所限只對(duì)其精加工部分程序進(jìn)行表述。薄壁外殼精加工程序編制如表3中所示。

表3 薄壁外殼數(shù)控加工精加工程序清單

2 鋁合金薄壁外殼的加工

2.1 工件安裝

如圖3所示，卡爪設(shè)計(jì)并車加工后與三爪卡盤裝配，工件鑄造毛坯件裝入卡爪2上的錐臺(tái)圓弧面，并使卡爪2上的斜面與工件斜面貼合定位，然后施加一定的預(yù)夾緊力，開車查看工件是否與車床主軸同心，無誤后對(duì)鑄件毛坯適當(dāng)力度夾緊即可進(jìn)行車削加工。裝夾鑄件毛坯時(shí)不可用力過度，防止工件由于夾緊力過大而造成工件夾扁或變形。

圖3 工件安裝示意圖

2.2 工件加工

1）根據(jù)圖1所示工件的各工步內(nèi)容選擇使用的刀具，粗車時(shí)選擇主軸轉(zhuǎn)速800 r/min，橫向進(jìn)給量與縱向進(jìn)給量選擇0.2～0.3 mm/r，切削深度為1～2 mm。精車時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，橫向進(jìn)給量與縱向進(jìn)給量選擇0.05～0.10 mm/r，切削深度為0.1～0.2 mm[4]。

2）精加工過程中，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整至1200 r/min，進(jìn)給量選擇0.08 mm/r，切削深度為0.1 mm，大幅度提高了工件的表面粗糙度質(zhì)量要求。

本工藝在FANUC系統(tǒng)數(shù)控車床上加工圖1所示工件尤其適用，程序的編制簡(jiǎn)單、節(jié)約刀具調(diào)換、調(diào)整等輔助時(shí)間，可確保工件的互換性，顯著提高加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率大幅度提高。

3 結(jié)論

針對(duì)礦用防爆電器鋁合金薄壁外殼車削工藝的設(shè)計(jì)，已在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，實(shí)踐證明達(dá)到了以下目的和效果：1）專用卡爪的設(shè)計(jì)解決了鋁合金薄壁外殼裝夾易變形的工藝難題，重復(fù)定位準(zhǔn)確、精度高；2）工藝設(shè)計(jì)科學(xué)，程序編制合理，工件加工節(jié)省了工時(shí)，大幅度提高了生產(chǎn)效率。