铝合金薄壁筒形零件车削与夹具

吴延群

摘要：为了满足铝合金薄壁零件机械加工的需要，要实现其加工系统的优化，促进其内部各个环节的有效协调，以满足日常工作。在铝合金薄壁零件的机械加工过程中，通过对其加工模式、材料特性的有效分析，从而满足铝合金薄壁零件的加工需要，保证日常工作的质量效率的提升。采取提高工艺系统刚度，进行多次工序间热处理，选择合理切削用量、充分冷却等措施，通过新设计的车削夹具及优化刀具角度等工艺方法的改进，提高了铝合金薄壁筒形零件的加工质量. 以薄壁筒体车端面和精车内、外圆为例，结合典型夹具结构，分析和介绍改进后的工艺方法。

关键词：铝合金薄壁筒形零件;车削夹具;切削用量;夹紧变形

近年来，在国营大众机械厂的机加工生产过程中，铝合金零部件的加工数量逐渐加大，且形状越来越复杂，尺寸精度和粗糙度要求越来越高，尤其是铸造铝合金壳体类零部件，结构复杂，铸造壁薄，体积越来越大。铝合金材料的塑性、韧性好，粘附性强，切屑不易分离，切削过程中很容易粘附在刀刃上产生刀瘤，铝合金薄壁件一般刚性较差，工件在加工中容易产生变形，铝的线膨胀系数（0.0000238）比钢的线膨胀系数（0.00001）大将近2.4倍，在切削加工过程中，热变形较大，铝合金材料的硬度偏低，在加工过程中，加工面容易划伤，很难达到表面粗糙度要求。因此加工过程中，由于切削热及装夹变形对铝合金零部件的加工精度和表面粗糙度影响很大。如何解决这个问题，以提高铝合金薄壁零件的成品合格率，这给机械加工工艺人员提出了新的课题。我厂生产的一种铝合金薄壁筒形零件，长度为 400- 410 mm，直径 154 mm，壁厚为 1. 5mm，因其材料的线膨胀系数为钢的 2倍，弹性模量为钢的 1/3，加之径向刚度很低，在切削力、切削热及装夹力的作用下极易变形. 对此，除采取提高工艺系统刚度，进行多次工序间热处理，选择合理切削用量、充分冷却等措施外，还围绕 减少工件所受非均匀径向力这一关键，设计了薄壁筒体加工系列夹具，工件装夹过程中，实行一次定位成型，施加较小的夹紧力，以减小人为误差，并相应调整了加工工步和刀具切削参数. 本文以薄壁筒体车端面和精车内、外圆为例，结合典型夹具结构，分析和介绍改进后的工艺方法.

一、精车端面及夹具

由于工件的径向刚度低，为减少工件的夹紧变形，在精加工筒体内、外圆时，宜采取轴向压筒体两端面的方式. 此时，如端面不平行，则会由于轴向压紧力的不均匀而在筒壁某处随机生成冗余的径向分力. 这种内应力失稳现象，在连续的切削过程中往往表现为肉眼可见的、非连续的数个切削表面，即筒体出现变形. 所以，对于精车内、外圆前的端面平行度，应引起足够重视并严加控制。

为研究设计的车端面夹具，该夹具以心轴 2左端锥柄在机床主轴孔内定位，心轴右端中心孔在尾座顶尖的支承下定位. 胀盘 3由重量轻、减振效果好、硬度低、对筒体内壁有保护作用的尼龙材料制成，其圆周面上按 45均布加工出多条宽度小于 2mm 的槽口. 由锁紧螺母 5紧固胀盘，在胀心 4的推动下，胀盘直径增大并与工件内壁紧密贴合，这种近似于整圆周的均匀支承不但定位精度高，而且避免了装夹时多边变形的误差复映，胀力的大小也易得到控制. 左端盘 1由卡盘爪坚固后按锥面精车定位面，以消除跳动误差，并可适应同批筒体内径的微小变化.加工时，心轴、胀盘、端盘与工件形成一刚性回转体，实现了一次装夹下车削两端面的要求，能可靠地将平行度控制在 0. 01mm之内.

二、精车内圆及夹具

精车内圆时，宜采取徑向半柔性定位，轴向压紧 ？的方式，为避免工件外圆所受非均匀装夹力，采用了如图 2所示的筒形整体夹具结构. 夹具体 1左端用螺栓与车床主轴法兰盘连接，其内圆周表面经精确找正后，与车床主轴回转中心同轴，既可作为工件径向定位面，又能承受切削时的径向力，增强工件刚度. 由于工件与定位面之间处于半柔性的间隙配合状态，可有效地避免径向应力，由锁紧螺母 轴向压紧工件端面.加工完毕后，可通过主轴孔向右方对挡板 2施力，以便推出工件.制造该夹具时，应严格保证挡板两端面之间的平行度，以及夹具体左端轴向定位面相应对回转轴线的垂直度。

三、精车圆及夹具

精车外圆为筒体车削的最终工序，此时，壁厚仅为 1. 5 mm，必须严格避免各种形式的径向力对工件的影响. 采取径向定位，轴向压紧的方式，精车后的筒体内圆以左、右端盘的外圆定位，左端盘以精车后的卡盘三爪夹持定位，内孔与心轴采取紧密配合，心轴右端仍以中心孔在尾座顶尖支承下定位，可保证良好的回转精度. 在锁紧螺母推动下，右端盘沿心轴滑动直至压紧工件，避免了旋转压紧方式对工件产生的扭转应力.为增加筒体刚度并吸收切削振动，于筒体内预置一块与内圆周表面积相等的橡胶板（厚度 3mm），筒体回转时所产生的离心力可使橡胶板均匀紧贴在筒体内壁上. 有效地起到、增加壁厚、提高刚度、吸收切削振动的作用.

四、刀具的选择

在加工中，高速切削会产生大量切削热，尽管切屑能带走大部分热量，但在刃前区仍能产生极高温度，由于铝合金熔点偏低，使得刃前区常常处于半熔化状态，使工件在切削点处的强度受高温影响大幅度下降，容易产生铝合金零件在加工过程中形成的凸凹缺陷。因此，在精加工过程中，通常选用润滑性能好，粘度低，冷却性能好的煤油做切削液。在润滑刀具的同时，及时带走切削热，降低刀具刃前区及零件加工面的温度，减小零件温度变形。综合考虑到铝合金材料的加工特点以及加工中振动和切削力所引起的变形，粗加工刀具材料选用硬质合金刀具YG6。由于粗加工对尺寸精度和表面粗糙度要求不高，但为了满足后序加工定位精度要求，工艺要求表面粗糙度达到3.2。刀具角度参数：前角35°，后角10°，主偏角50°，副偏角10°，刃倾角8°，副后角6°，刀尖半径0.5°刀杆材料为45钢。精加工是机械加工最后一道工序，尺寸已基本趋向最终尺寸，对薄壁圆筒来说，刀具的几何角度参数尤为重要。增大刀具主偏角，使其径向切削力趋于0，控制了薄壁圆筒的变形;增大前角角度，使刀具更锋利;增大后角，减少摩擦，降低表面粗糙度;为减少径向力，避免产生振动，副偏角不宜选得太小。高速钢外圆精车刀角度参数：前角30°，后角14°，主偏角93°，负偏角15°，刃倾角8°，副后角6°，刀尖半径0.2°。切削用量车削粗加工时，转速n =560r/m i n，进给量f=0.25mm/r，t=0.5mm。车削精加工时，转速n =200r/m i n，进给量f=0.10mm/r，t=0.1mm。

五、加工效果

按照上述工艺保证过程，零件的各项指标都达到图样要求，工艺保证得到了批量生产的验证，证明了其合理性。虽然铝合金薄壁筒是加工中的难点，但是只要有针对性地对其进行工艺分析，掌握其变化规律，采取有效的工艺措施，制订切合实际的工艺保证过程，都是可以被攻克的。合理的加工方法、装夹方式及切削参数是保证、铝薄壁零件尺寸加工精度的关键。经生产实践证明，这组夹具结构合理，定位可靠，夹紧力均匀，整体刚度高，通用性好，而且因其轻便、灵活，切削速度提高 1倍，达到 200m /m in，单人即可轻松地操作，减轻了劳动强度，随着切削速度的提高，还可大幅度降低切削力，改善切削条件。在生产过程中，各类筒体加工完毕后均在机床下检测. 圆度误差稳定控制在 0. 15 m 之内，同轴度小于0. 05m，直线度 0. 10m，一次交检合格率大于 98%，完全达到了图样设计要求，提高了生产率，经济效益十分明显。

参考文献

[1]刘守勇. 机械制造工艺与机床夹具 [M ]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2]鲁昌国，黄宏伟. 机械制造技术 [M ]. 大连：大连理工大学出版社，2007.

（作者单位：山东冶金机械厂有限公司）