高精度薄壁細(xì)長(zhǎng)鋁管件加工工藝研究

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,薄壁零件高效高精度的數(shù)控加工技術(shù)為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇,同時(shí)該數(shù)控技術(shù)也提高了制造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力,不僅如此,通過(guò)薄壁零件也能體現(xiàn)出國(guó)家制造業(yè)水平。雖然汽車制造業(yè)以及軍工業(yè)等各領(lǐng)域均廣泛應(yīng)用了薄壁零件,但是,薄壁零件加工過(guò)程仍舊存在諸多問(wèn)題,在加工過(guò)程中難免會(huì)生產(chǎn)出個(gè)別不符合要求的零件,出現(xiàn)零件浪費(fèi)情況^[1]。

高精度大長(zhǎng)徑比薄壁鋁管件(長(zhǎng)徑比大于10,壁厚小于3 mm)被廣泛應(yīng)用于火炮、直升機(jī)等領(lǐng)域,其材料的性能和加工質(zhì)量關(guān)系著火炮、直升機(jī)功能的發(fā)揮。目前,高精度內(nèi)孔加工方法主要包括內(nèi)孔磨削(精加工進(jìn)行珩磨)、內(nèi)孔鏜削 (在鏜床上用鏜刀加工)、內(nèi)孔車削(在車床上使用車刀加工)、拉床切削(使用拉刀加工)等。這些內(nèi)孔加工方法都很成熟,已經(jīng)在機(jī)加工行業(yè)廣泛應(yīng)用。鋁材只能車削、鏜削加工,不能采用磨削。從零件材料、裝夾及加工刀具的選擇,到保證尺寸精度的考慮,綜合而言,采用鏜削加工方法最為合適^[2]。

因鋁材具有質(zhì)量輕、剛性不足、易變形等特點(diǎn),對(duì)大長(zhǎng)徑比薄壁鋁管件,其加工質(zhì)量不僅取決于材料質(zhì)量,也取決于管件的裝夾方式、加工方法等^[3]。本文以某鋁管件為例,介紹一種高精度大長(zhǎng)徑比薄壁鋁管件的加工方法。

1 零件結(jié)構(gòu)介紹

零件結(jié)構(gòu)如圖1所示,管件具有大長(zhǎng)徑比(大于12),壁厚2~3 mm,長(zhǎng)476 mm,材料為7075A高強(qiáng)度鋁合金。兩端支口孔尺寸精度高且有同軸度要求,外圓對(duì)兩端支口孔有跳動(dòng)要求,且尺寸公差要求也較高。總之,對(duì)內(nèi)孔、外徑及尾翼的尺寸、形位精度和表面質(zhì)量要求都很高,屬于管類異形、薄壁、深孔加工件,加工過(guò)程變形大、易讓刀,尺寸公差和形位公差保證困難,加工難度很大。

2加工工藝難點(diǎn)分析

經(jīng)過(guò)分析與實(shí)際考察,在加工過(guò)程中主要存在以下難點(diǎn):

1)壁厚只有2~3 mm(2 mm壁厚占到零件總長(zhǎng)尺寸的一半),管壁薄、結(jié)構(gòu)剛性差,容易產(chǎn)生裝夾變形和加工變形。

2)內(nèi)孔尺寸為φ38H70+0.025 mm,公差只有0.025mm,表面粗糙度不大于Ra1.6μm,長(zhǎng)徑比為12.5>10(長(zhǎng)徑比大于10即為細(xì)長(zhǎng)桿/孔),屬于高精度、薄壁、細(xì)長(zhǎng)孔加工。而由于材料為鋁合金,無(wú)法采用傳統(tǒng)珩磨的精加工方法,只能采用車削或鏜削的加工方法。但是,加工過(guò)程中刀桿懸臂較長(zhǎng),容易出現(xiàn)讓刀、落頭現(xiàn)象。

3)尾翼部分為四組均布的、T型結(jié)構(gòu)的圓弧腰型槽,壁厚只有1.5 mm,圓弧腰型槽的寬度為7.5 mm、長(zhǎng)度100mm、粗糙度Ra1.6μm。表面精加工時(shí)刀具最大直徑為φ7mm、長(zhǎng)度尺寸為130mm,長(zhǎng)徑比為130/7≈18.6,剛性很差,會(huì)出現(xiàn)讓刀、震顫現(xiàn)象,嚴(yán)重影響尺寸精度和表面質(zhì)量。

3解決措施

3.1 工藝方案確定

對(duì)鋁管件的工藝特征進(jìn)行分析,可以歸納為兩個(gè)加工難點(diǎn):一是薄壁細(xì)長(zhǎng)深孔的精密加工,二是異形薄壁尾翼部分的精加工。針對(duì)高精度細(xì)長(zhǎng)深孔的加工,制定鉆底孔—粗鏜去大量余量—時(shí)效去應(yīng)力—半精鏜修正形位公差—浮動(dòng)精鏜的工藝路線;同時(shí),制定了設(shè)計(jì)制作彈性卡箍減少裝夾變形,設(shè)計(jì)制作高強(qiáng)專用鏜刀桿解決震顫、讓刀問(wèn)題的工藝方案。針對(duì)異形薄壁尾翼部分的精加工,制定分步完成加工的工藝方案,即將尾翼部分的腰型深窄槽和四處70°弧面缺口分開(kāi)加工,以確保其加工應(yīng)力不會(huì)對(duì)內(nèi)孔精度和尾翼配合精度造成影響。尾翼處腰型深窄槽的加工安排在粗鏜孔工序之后、精鏜孔工序之前,以避免其加工應(yīng)力對(duì)內(nèi)孔精度造成影響;尾翼70°弧面缺口加工安排在外圓精加工之前,以消除缺口處外張或縮口而造成尾翼處的配合尺寸φ60h9 mm (同軸度≤φ0.05)超差問(wèn)題,確保配合精度^[4]。

具體的加工工藝路線如下:備料—數(shù)車(粗車外圓、內(nèi)孔)—鏜(粗鏜內(nèi)孔)—數(shù)車(粗車外圓)—熱處理(時(shí)效去應(yīng)力)—數(shù)車(半精車外圓)—加工中心(銑腰槽)—鏜(半精鏜、精鏜內(nèi)孔)—加工中心 (銑70°弧面)—數(shù)車(精車外徑)—鉗(拋光、去毛刺)—表面處理。

3.2 工藝裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1)設(shè)計(jì)制作彈性卡箍,實(shí)物如圖2所示。材料采用拉伸性能較好的1060鋁板,將其加工為壁厚5 mm 的半圓形,其內(nèi)徑尺寸比鋁管件鏤空端外徑尺寸小

1.5 mm,中間外部帶有平面便于裝夾。裝夾時(shí),彈性卡箍半圓內(nèi)側(cè)兩邊與零件外圓為線接觸,下壓壓板時(shí),壓力分散到兩邊,形成一個(gè)均勻的包裹力,減小零件的受力變形。精鏜孔時(shí)采用彈性卡箍裝夾浮動(dòng)鏜削的方法,工件下部采用V型墊鐵支撐,受力面剛好在工件尾翼的兩條支撐筋處,上部采用專用卡箍,與工件接觸面設(shè)計(jì)成對(duì)稱的兩斜面,壓緊工件時(shí),卡箍的兩處斜平面剛好卡在工件上部的兩處支撐筋處,與工件為線接觸,以減小受力面,同時(shí)卡箍?jī)?nèi)徑與工件外徑之間留有一定間隙,以保證壓緊時(shí)垂直壓緊力被分解和部分吸收,使工件受力均勻而緩慢,從而減小零件的變形,裝夾實(shí)物如圖3所示。

2)設(shè)計(jì)制作高強(qiáng)度專用鏜刀桿,結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示,精鏜刀桿實(shí)物如圖6所示,解決半精鏜、精鏜過(guò)程中出現(xiàn)的震顫、讓刀問(wèn)題。

從 圖4、圖5可 以看 出刀 桿 的 長(zhǎng)徑 比 分 別 為636/34≈18.7、628/35≈17.9,均為細(xì)長(zhǎng)桿,剛性差,為提高刀桿的剛性和強(qiáng)度,消除加工過(guò)程中因刀桿剛性差造成的讓刀、震顫現(xiàn)象,確定選用中碳合金鋼40Cr進(jìn)行制作,并對(duì)刀桿進(jìn)行淬火處理,使其洛氏硬度值為HRC45~48。設(shè)計(jì)制作的浮動(dòng)精鏜刀桿實(shí)物和采用的浮動(dòng)鏜刀頭如圖6、圖7所示。

浮動(dòng)鏜刀頭安裝在浮動(dòng)鏜刀桿的長(zhǎng)方刀槽孔中,即圖5中12 mm×25 mm方孔中,并可在方孔中自由滑動(dòng);在切削過(guò)程中,浮動(dòng)鏜刀靠相對(duì)的兩個(gè)切削刃上的徑向分力自動(dòng)對(duì)中;鏜削開(kāi)始時(shí),被加工孔的軸線往往與浮動(dòng)鏜刀對(duì)稱中心不重合,徑向力大的一側(cè)將克服浮動(dòng)鏜刀與浮動(dòng)鏜刀體長(zhǎng)方孔之間的摩擦力,向徑向力小的一側(cè)滑動(dòng);隨著進(jìn)給深度的增大,浮動(dòng)鏜刀的切削錐全部進(jìn)入孔內(nèi),兩刀刃徑向力逐漸平衡,至浮動(dòng)鏜刀全部切入后,兩刀刃上的徑向力在理論上完全抵消,達(dá)到孔軸線與浮動(dòng)鏜刀對(duì)稱中心重合;浮動(dòng)鏜孔可以減小或消除由刀具旋轉(zhuǎn)軸線與被加工孔軸線不重合以及刀桿徑向跳動(dòng)所引起的加工誤差,提高孔徑尺寸精度、圓度,并控制軸線偏差^[5]。

3)設(shè)計(jì)制作微小錐度芯軸,如圖8所示,減少精車外圓時(shí)因壁薄而產(chǎn)生的應(yīng)力變形對(duì)內(nèi)孔(φ38H7mm)精度的影響,從而減少壁厚誤差。小錐度芯軸的錐度一般在1:1 000~1:5 000,制作方便,一般利用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45進(jìn)行加工,粗車后淬火,硬度達(dá)HRC35~40,再利用外圓磨床進(jìn)行磨削即可得到較高精度的芯軸^[6]。由于工件長(zhǎng)度較大,加工時(shí)采用的芯軸錐度達(dá)到1:8 700,屬于微小錐度芯軸,是由粗車—調(diào)質(zhì)—精車—磨削加工后得到的高精度的芯軸。

在設(shè)計(jì)制作芯軸時(shí),采用微小錐度定心的方法,使用時(shí)既能夠準(zhǔn)確定心,又能夠增大支撐面積,而且拆卸方便,保證外徑與內(nèi)孔的同軸度和壁厚尺寸公差符合設(shè)計(jì)要求。即在精車外圓時(shí),采用芯軸定位夾緊方式,使夾緊力沿著剛性較好的軸向方向分布,同時(shí)可以增加夾緊面積而減小變形。

4)設(shè)計(jì)制作專用拋光裝置,如圖9所示。該拋光裝置共由五個(gè)零件組成,其中本體的外形尺寸與尾翼內(nèi)腔尺寸相匹配,使其安裝拋光布后,能夠充分與尾翼內(nèi)腔磨合。利用該拋光裝置,在不影響加工尺寸精度的前提下,消除因銑削尾翼部深窄腰槽而產(chǎn)生的振紋,提高表面光潔度和零件表面質(zhì)量。腰槽拋光前后對(duì)比情況如圖10所示。

3.3 切削參數(shù)確定

半精鏜孔時(shí),選用前角為90O的鏜孔刀進(jìn)行半精加工,切削深度為0.5 mm/r,進(jìn)給量為0.2 mm/r,速度為55 r/min,保障零件的變形量最小,保證孔的直線度不超過(guò)0.1 mm,留精加工余量0.2~0.25 mm。

精鏜孔時(shí),使用浮動(dòng)鏜刀,調(diào)節(jié)好刀具直徑,用手輕扶刀體慢慢推入孔口,刀刃上設(shè)計(jì)有修光倒角,可以起到自動(dòng)定心的作用。開(kāi)啟機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn),加工轉(zhuǎn)速為28r/min,切削深度為0.15mm/r,進(jìn)給量為0.18 mm/r。

3.4環(huán)境要求

環(huán)境狀況對(duì)鋁管的裝夾、加工及尺寸影響很大,加工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度要求控制在17~23 ℃ ,濕度30%~80%^[3]。

3.5 零件的運(yùn)轉(zhuǎn)

由于大長(zhǎng)徑比薄壁鋁管極易變形,在鋁管材與鋁管件的周轉(zhuǎn)過(guò)程中要設(shè)計(jì)制造專用零件箱,根據(jù)其重心位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的支承點(diǎn),夾持部位要用軟材料,以防劃傷零件表面^[3]。

4效果和意義

采用該工藝技術(shù)加工生產(chǎn)的首批20件鋁管件零件,經(jīng)過(guò)專檢,尺寸精度、形位公差和表面質(zhì)量完全滿足設(shè)計(jì)圖紙要求,產(chǎn)品一次交驗(yàn)合格率達(dá)100%。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),效果良好,既保證了產(chǎn)品質(zhì)量,又有效保證了研制進(jìn)度,得到了用戶好評(píng)。后續(xù)又生產(chǎn)了40件鋁管件零件,精度也都完全滿足設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

該研究的工藝技術(shù)對(duì)于細(xì)長(zhǎng)孔的精密加工、變形控制具有十分突出的借鑒和指導(dǎo)作用,可推廣應(yīng)用于具有高表面質(zhì)量的帶尾翼的彈體類零件的精密加工,也可推廣應(yīng)用于薄壁深孔類零件的加工生產(chǎn),節(jié)創(chuàng)價(jià)值突出,可廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域結(jié)構(gòu)類似零件的精密加工,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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2024年第15期第23篇