铝合金薄壁铸件壳体机加工工艺研究

陈殿贺, 李 巍

(沈阳铸造研究所 机械加工中心, 沈阳 110022)



铝合金薄壁铸件壳体机加工工艺研究

陈殿贺, 李 巍

(沈阳铸造研究所 机械加工中心, 沈阳 110022)

铝合金薄壁铸件壳体在航空、航天等领域有着广泛的应用,其加工性能好,但结构复杂、硬度低、刚性差、加工时易变形、加工质量难以控制,因此铝合金薄壁壳体的加工一直是机械加工的一个难点。为解决这些问题,首先对残余应力、刀具角度、工件装夹、零件材料这些影响其变形的主要因素进行简要说明和分析;然后针对这些变形因素,提出加工工艺要求。主要包括:对加工刀具及其轨迹进行优化,以提高加工效率改善加工质量,选则合适的刀具材料,增大刀具前角、后角,减少切削时刀具与工件之间产生的摩擦力及切削应力;利用辅助设施、分序过程的间隙进行应力适放以减少加工过程造成的变形;卡具的优化,与零件面接触、受力均匀、避免变形;精车三要素切削深度、速度、走刀量的限定。采用以上工艺加工,可有效减少铝合金薄壁壳体变形,从而满足设计要求。

切削参数; 工艺优化; 变形控制; 公差要求

0 引 言

铝合金薄壁壳体在各个行业中都有广泛应用,如汽车、通讯、各种仪器设备外壳、航海等[1-4]。在航空、航天领域其指标要求更高。本论文依托航天某壳体(材质是铸铝ZL114)是航天某产品重要部件之一,用户对材料的性能、尺寸、表面质量及形位公差要求非常严格,经过细致的共同检验达到零件要求才能签收。所论述的壳体机械加工完的厚度3±0.15、圆度0.1,单从表面看是很好加工的,可是要想保证壳体的厚度、圆度加工是有一定的难度,通过对项目进行机械加工分析与实现,提出铝合金薄壁件机械加工工艺,在该项目中生产得到充分验证现已批量生产。

1 薄壁铝合金铸件加工变形因素分析

薄壁铝合金铸件在机械加工中发生变形的原因很多,与毛坯的材料、产品的几何形状、及生产条件都有关。这里以T6状态的ZL114壳体坯料为例,主要影响因素如下:

1) 残余应力。初始残余应力 待加工产品的初始状态是铝合金铸造坯料,由于产品的外形不同在铸造成型及热处理冷却过程中冷却速度各位置不一致,产生残余应力。该应力在加工中释放,引起壳体变形[5]。影响产品变形的主要根源是初始残余应力。

机械加工产生的残余应力包括:毛坯尺寸、形状变化引起的应力变化,毛坯经切削加工后因其各部分尺寸的变化使其内应力分布变化[6];加工过程中因切削力、切削热产生的残余应力[7];各种残余应力的合力重新分布[8]。

2) 刀具角度。刀具角度影响切削时产生的切削热、切削应力和残余应力。切削热造成零件各部位温度不均使零件产生变形;切削力是合力,可分解为轴向力、径向力和切向力,切削分力及分力的变化使零件表面在弹性恢复后产生不平度及变形;残余应力是加工后产生的应力与其他应力合成从新分布,将使加工好的零件产生变形[9]。

3) 工件装卡。薄壁铝合金铸件刚性很差,机械加工的装卡、压等产生的弹塑性变形将影响零件尺寸精度、形状、位置精度、表面质量[10-11]。

4) 零件材料。铝合金和其他元素有较高的化学反应性、硬度较低、塑性大,这3个基本性质为提高切削加工质量带来困难;在切削加工时易产生积屑瘤,严重影响已加工表面粗造度、尺寸精度[12-15]。

除了上述原因外,机床、工装的刚度、加工环境的温度影响加工精度。其次是振动。因此加工薄壁铝合金铸件的壳体着重解决装卡、减小切削力和消除毛坯的残余应力。

2 壳体加工的防变形方法

壳体材料是ZL114, 热处理方式T6处理,如图1所示。

图1 零件简图

在实际加工过程中,零件的变形是绝对存在的,不可能完全消除,但是可以采取一些措施减小变形,将变形量降到要求的范围内。在加工铝合金薄壁铸件的过程中采用以下措施来减小工件的变形。

1) 切削刀具要尽可能锋利。尤其在精车时刀具的锋利可减小切削力,排屑顺畅减小摩擦。在刀具选则上有机卡刀和焊接刀。机卡刀有很多优点,但是机卡刀是固定成型的,不能根据需要改变刀具角度,加工薄壁铝合金件就不太适应。焊接刀可以改变刀具角度,所以要使用焊接刀。刀具如图2所示。

图2 刀具

2) 刀具材料的选则。铝合金加工性能好,只要硬度高于它的材料都可以加工它。从铝合金铸件的性能及要求来看一般选择耐磨、抗冲击、散热好的硬质合金为刀具材料。采用国产的YG8硬质合金作为刀头来加工此件,其效果是很好的。

3) 选用合理的刀具角度。在精车时,为了减小在加工产生的切削热及切削抗力就必须改变刀具的几个重要角度,包括刀尖圆角、前角、后角及主偏角。刀具的刀尖圆角应适当小(R=0.4～0.8),以减小在切削过程的挤压量;加大前角(γ=15°～20°)使切削力减小,可以减小受力变形;适当增大后角(α=10°～15°)可减小刀具与零件加工表面的摩擦;刀具安装的主偏角为90°,减小切削时产生的径向力也可以减小零件的变形。

4) 合理的安排工序。为防止壳体在加工过程变形问题,必须合理安排粗、半精、精加工、消除应力及冷热处理工序。壳体加工有很多工序,在每道工序还要有多工步,零件的质量主要在精车这道工序。因此在精车工序还要注重环节,在壳体精车时要反复多层次切削。从理论上说,零件上去掉任何一层应力都会改变,金属因应力的重新分布都会发生变形。对刚性大的工件,由此引起的变形微乎其微,可以不必考虑,但是对于易变形的大型薄壁铝合金壳体影响很大,必须在工艺上采取措施予以消除。壳体精加工时不能一两次车削就可以。在粗、半精加时,车一次就要用超声波振动20 min消除一次应力,再重新装夹用百分表找正。车见圆用测厚仪测壳体壁厚调整厚度、以壳体壁厚为基准再车削,再调整等直至加工到图纸要求。

5) 设计合适的卡具。由于铝合金铸件本身刚性差,又是薄壁件,即使卡紧力微小也能产生很大的工件变形,对于这类零件的加工应严格控制卡紧力的作用点及卡紧力的大小,因此要选用合适的卡具是非常重要的。壳体是圆形局部规则的零件,在车削加工时装卡必须要在零件圆周上受力均匀合理才能使装卡产生的变形小。在车床上装卡用的卡盘一般是3个或4个卡爪,在装卡时是3点或4点受力,即使卡紧力很小也会产生很大的变形。其产生的变形有弹性变形和塑性变形,由于变形的存在不但增加应力也使加工的零件尺寸也会发生变化,影响产品质量甚至会使加工的壳体是废品。装夹方式对于铝合金薄壁壳体的装卡是非常的重要的,在装卡时即要满足加工的要求又要无变形、应力还要很小,这样才能满足加工要求。

图3 零件名称:卡箍

如图3所示,将此卡具称作卡箍,卡箍用钢材40cr锻造而成,粗加工后进行调质处理以增加其弹性,只有在精加工时用卡箍,其他可不用。在精车加工时卡箍与零件在直径方向有1 mm的间隙,车床采用四抓卡盘装卡,四爪卡盘卡利用卡箍的弹性变形后卡箍环与零件接触达到卡紧的目的。卡箍的变形是圆心不变内外径改变,直径改变后卡箍与零件产生紧配合使零件卡紧(卡紧力要合适,能满足车削加工的卡紧力即可)。卡箍变形是均匀的,卡箍变形后与零件的接触能全部靠在一起,达到零件与卡箍的接触是面接触。零件受到的卡紧力是均匀的,受力方向是径向也不易使零件产生变形,这样的装卡经加工后的壳体验证是装卸方便、结构简单、容易制造、较低的费用。车削加工装卡方式如图4所示。

6) 选择合理的切削三要素。切削深度:在精车时选择较小的切削深度。在精车加工时切削深度为0.1～0.5 mm,精车一次用测厚议检测壳体的壁厚将壳体壁厚调至壳体厚度要求,反复调整最后达到即保证外径尺寸还要满足厚度要求。厚度测量如图5所示。

图4 车削加工装卡方式

图5 厚度测量

切削速度:精车时由于零件装夹力小、壳体本身结构不对称,转速过高时会产生大的动不平衡,所以切削速度不能过大,精车时壳体转数在150～200 r/min。

走刀量:走刀量受表面粗糙度的限制所以走刀量不易过大,在精加工时走刀量为0.05～0.15。

7) 接头内部分的加工。在普通铣床用回转盘加工,以车加工圆为基准加工多余部分或用数铣加工。

3 结 语

要求刀具锋利、刀具材料要耐磨抗冲击,选用YG8硬质合金刀头焊接后可以满足上述要求;刀具的刀尖圆角(R=0.4～0.8)、前角(γ=15°～20°)、后角(α=10°～15°)、主偏角为90°;装卡壳体要选择合适卡具,保证零件装卡时受力均匀,除去卡具时无变形,如使用卡箍装夹零件可避免变形;每次粗车、半精车削都要用超声波振动20 min消除一次应力;精车时的切削深度0.1～0.5 mm、速度150～200 r/min、走刀量0.05～0.15。

针对大型薄壁铝合金铸件的加工就是想办法消除内应力,在加工过程减小外力,让零件处于自然装态。本文通过这种壳体批次加工,认为工艺合理可行的,对于不同的零件有不同的方法,最后加工出合格的产品、提供了具体思路和措施。在实际项目中运用上述工艺进行加工,对壳体的检验,壁厚误差0.15,圆度0.1,放置10 d后也无变化。最终顺利的与其他配件完成总装配。

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Machining technology on thin-walled aluminum alloy casting shell

CHENDianhe,LIWei

(Machining Center, Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022, China)

Thin-walled aluminum alloy casting shell has been widely used in aerospace and aviation, etc.Although machinability is good, it still has many disadvantages such as the complex structure, low hardness, poor rigidity, deformation easily during machining, and hard control for machining quality.So the machining of thin-walled aluminum alloy casting shell is a technological difficulty.To solve these problems, this article first make a brief description and analysis on the main factors causing deformation, which are residual stress, tool angle, workpiece clamping, and part material of parts.According to these deformation factors, technology requirements are supplied as following: the tool and its trajectory should be optimized to improve the machining quality and efficiency, such as choosing the proper tool material, increasing the rake angle and clearance angle、decreasing the friction of tool and workpiece when cutting and decreasing cutting stress; By making use of auxiliary facilities and the clearance of sequence process, stress can be released, so as to reduce deformation caused by machining process; Optimize fixture by making it to contact with part by surface to guarantee equal force and avoid deformation; The three elements of finish turning are limited, that is cutting depth, speed, and feed.Using the above technology can effectively reduce the deformation of aluminum alloy thin-walled shell, so as to meet the design requirements.

cutting parameters; technology optimization; deformation control; tolerance requirements

2014-11-01。

国家科技支撑计划项目(2006BAF04B01)。

陈殿贺(1959-),男,辽宁沈阳人,沈阳铸造研究所工程师。

1673-5862(2015)01-0010-04

TG506.7

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.003