硬鋁合金薄壁工件加工工藝技巧

河南科技大學林業職業學院 (洛陽 471000) 安存勝

河南衛華重型機械股份有限公司 (新鄉 453400) 聶福全

如圖1所示典型大直徑薄壁工件，材料為硬鋁合金，此類工件在加工外圓、內孔過程中有一個顯著特點，就是由于壁厚較薄，工件剛性較差;同時由于材料硬度較高，切削抗力較大，在裝夾和車削過程中受夾緊力和切削的作用下工件容易產生變形，從而影響工件的加工精度。為解決上述問題，在車削內孔和外圓時，分別各自需要采用一套專用夾具，用以工件的定位和裝夾，才能滿足此類工件的加工要求。這對于單件少量生產而言非常不適宜。為解決此類工件加工問題，通過采用特殊加工工藝方法和加工技巧，可以在不使用專用夾具的情況下在臥式車床采用自定心卡盤一次裝夾實現外圓、內孔、端面加工，并能有效解決裝夾變形、剛性及加工應力變形問題，保證尺寸精度和形位精度。

圖1 工件圖

1.加工工藝方法確定

(1)裝夾變形問題解決 在采用自定心卡盤裝夾工件時，由于工件壁厚較薄，很容易在卡爪徑向夾緊力大作用下，造成裝夾變形。為解決不采用專用夾具時工件的裝夾問題，我們在毛坯準備時就進行了充分的考慮，采取了如下的辦法:準備的毛坯長度應比工件圖樣要求略長一些，如圖2所示，其長度的具體值可由工件長度 (含一端端面加工余量)、切斷刀寬度、卡盤裝夾長度三部分組成，其中卡盤裝夾長度c一般為15～20mm之間，這樣一來既可以保證一定夾緊力要求，又可以在工件切斷時不至于浪費過多的材料。車外圓、內孔時，只需要加工到切斷部位最大位置D點處，從而使裝夾部位保持壁厚較厚狀態，從而可消除裝夾變形對加工精度的影響。

圖2 毛坯結構

(2)工藝方法的確定 盡管通過前述方法基本消除了夾緊變形，但在車削外圓及內孔過程中，由于工件壁厚造成的剛性問題應必須加以解決，為減小由于工件剛性造成的切削振動、工件受切削力易產生變形的問題，我們在外圓、內孔的車削中采取了交替車削的工藝方式，即車一刀外圓后再車削一刀內孔，如此反復直到最后精車。采用外圓、內孔交替車削工藝方法可以使外圓、內孔在車削過程中受不同方向切削力影響而造成的變形相互抵消，從而實現在粗車工藝階段最大限度地保證外圓、內孔加工時形位精度和尺寸精度。外圓、內孔及一側端面全部車削完成后，采用切斷刀切斷工藝將成品切下。

2.工件應力消除和剛性不足解決方法

由于毛坯制備及工件在切削過程中都會在工件內部形成一定的內應力，而對于如此大直徑薄壁的工件，上述應力足以使加工后的工件產生變形。因此，如何消除內應力也是加工此類工件時一個非常需要值得注意的問題。內應力的消除最好采用多次低溫時效處理的方式。一般情況下，鋁合金的低溫時效溫度在200℃左右。為盡可能將內應力消除，最好將低溫實效工藝安排在粗車、半精車后各一次，這樣在精車前，工件內應力基本得到消除。

從實踐中來看，在精車外圓、內孔及一側端面時，工藝參數中的吃刀深度和進給速度均較小，因此切削力也較小，只要采取合適的方法，精車切削力基本上不會造成工件的變形。但是在工件全部加工部位車削完成后切端時，工件變形往往在切斷部位產生，分析其原因可能是由于在使用切斷刀進行工件切斷時，刀具作用在工件徑向的切削力較大，而此時切斷部位外圓和內孔均已加工完，壁厚僅為3mm，因此，在刀具徑向切削力的作用下，切斷部位會積聚較大的內應力和切削力而造成工件變形，從而使整個加工“功虧一簣”，最終造成廢品。為解決此問題，我們采取了一種非常規措施，在精車前，先用切斷刀在工件切斷位置處先車一刀，使此部位單邊僅保留1～1.5mm壁厚 (包含內孔精加工余量0.5mm)。這樣做有兩個作用:一是使工件在切斷前內應力得以充分釋放，從而將切斷時工件應力變形降至最低;二是減小了最終切斷時工件的加工余量，從而使切削深度減小，切削持續時間縮短，從而將應力及切削力減小，從而將上述合力引起的工件變形降至最小。

但這樣做也容易導致一個較為嚴重的后果，由于切斷部位靠近工件部位，精加工前壁厚進一步減薄將導致精車外圓、內孔時的剛性進一步變差，極易引起切削振動，若不采取措施，切削振動將直接影響工件尺寸、形位精度及生產效率的提高，還將造成刀具磨損的加快，反倒是“得不償失”。為保持工件剛性，我們采取了在精車內孔時外圓纏膠帶，在精車外圓時內孔塞橡膠球的方法，如圖3所示。車削外圓時，將充氣橡膠球(圖中雙點劃線)塞入內孔并保持適當的氣壓，使球體擴張后均勻地在工件內壁上形成一定壓力，使工件此時相當于形成一個實體，剛性增強，既可以抵抗徑向切削力引起的變形，又可以有效提高剛性，同時還具有吸收切削振動的效果。不要小看膠帶和橡膠球的作用，它的確能對改善剛性，減小振動起到意想不到的效果。

圖3 工件內孔塞橡膠球示意圖

3.切削參數制定

粗車時，為盡可能快速去除工件毛坯上的多余材料，在確保工藝系統剛性的前提下吃刀深度可選為1～1.5mm，主軸轉速 600～800r/min，進給量0.12mm/r;精車時，吃刀深度每次為0.2mm左右、主軸轉速1000r/min、進給量0.1mm/r。之所以選擇較高的主軸轉速，其目的主要是使切屑流向刀具側并在高速下甩出，從而避免切屑纏繞工件拉毛工件表面。但需要注意一點是，由于主軸轉速較高，切屑可能會出現“漫天飛舞”的情況，一定要提高安全保障措施，安裝隔離網。

為減小切削時的徑向力，應盡可能選擇75°以上的主偏角刀具，這樣可以在切削過程中使軸向切削分力增大，而徑向切削分力減小，從而降低工件在徑向切削力作用下產生變形的可能。為使切削輕快，刀具前角可選為3°～5°，后角3°～6°，同時，為使切屑流出順暢，前刀面圓弧槽較淺且圓弧流暢，使排屑容易。

4.結語

上述工藝方法經實踐檢驗，在不采用專用夾具的情況下，也能較好地實現大直徑薄壁工件的加工，且加工精度可以得到有效保證，從而為此類工件的加工提供了一種新的思路。