铝合金大直径轴类薄壁零件加工工艺方案

陈亮 袁芬芬 陈海莹

摘 要：本文通过对典型铝合金大直径轴类薄壁零件的加工工艺研究，针对零件加工的相关质量制约因素，采取了一系列的解决方案，从而归纳出可借鉴的加工工艺方案。

关键词：铝合金大直径轴类薄壁零件;加工变形;残余应力;装夹变形和回弹

中图分类号：TG306 文献标识码：A

0 引言

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。铝合金大直径轴类薄壁零件加工时装夹难度高，加工后变形大，直接影响到零件的使用性能。

1 问题描述

零件材料为2A12-H112。在机械加工完成后，出现以下几个问题：

①零件车削完成后，零件变形，造成φ289+0.2+0.1，φ2850-0.1尺寸超差。②零件加工完成后扭曲，零件平面度差，造成φ231+0.6+0.05，φ248-0.1-0.6。③零件表面粗度差，夾紧时易夹伤。

2 加工工艺分析

2.1 加工路线

粗车内孔-半精车内孔及外圆-精车内外孔及厚度-线切割加工槽-数铣台阶及加工孔。

2.2 加工工序分析

（1）普车工序。在半精车及精车加工规程中，因车削的余量大，零件为薄壁件，加工完成后产生大量应力，应力释放后引起零件变形。零件中φ289+0.2+0.1，φ2850-0.1公差较小，当变形量大于尺寸公差时，尺寸超差。

零件尺寸大，使用硬质合金车刀加工时刀具阻力大，粘刀尖，零件产生热量大，零件表面有积屑瘤，表面粗糙度减低。

零件尺寸加大，卡盘正爪夹不住，采用反爪装配。反爪上垫铜片夹紧。爪子夹得过紧，零件变形;夹松零件夹不住。零件与爪子的夹紧部位变形大，尺寸偏小。

（2）线切割工序。线切割割槽对零件影响较小。

（3）数铣工序。零件数铣开槽后，零件发生应力变形，切槽端面尺寸变小，原车工加工面的尺寸变大。该加工变形由铣削加工开槽时应力变形造成，退火去应力并不能将其内部应力变形消除，零件端面发生了拱起现象。精铣预留1 mm余量加工，并不能将前工序拱起面加工掉。同时加工一端面会产生应力变形，会使另一端面的尺寸发生变化。通过数据分析统计该零件的应力变形量为0.45 mm。

该零件材料为铝合金，零件尺寸较大，壁厚较薄，在铣削加工时，产生了应力，使零件变形。

2.3 工艺性分析

铝合金具有密度低，强度较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。但是铝合金材料在加工后容易变形的，直接影响到零件的使用性能。

铝合金硬铝板料在轧制后表面产生压应力，而心部呈拉应力状态。如对板料进行表面切削加工，由于板料表面的拉应力的变化，则可能引起零件翘曲。

因此造成零件加工变形的主要因素是铝合金材料加工产生的应力。

2.4 总结

通过以上分析，总结以下几个特点：

①车工需合理安排加工步骤和加工余量。②钻孔、割槽后零件尺寸变化小。③铣齿后零件变化量较大，造成尺寸超差。④去应力退火后零件变形不能恢复。

3 制定对策

对策1：将车工分为粗车、半精车、精车;合理安排加工余量;研究制作专用车工刀具;调整装夹方式。

对策2：先将槽割开，待数铣加工钻孔。

对策3：数铣前内外圆预留余量;数铣分多步骤，先将台阶铣开，再铣内外圆尺寸;研究制作专用铣工夹具，减少装夹对零件影响。

对策4：普车及数铣工序间增加人工时效去应力退火。

4 对策实施

对策1：①粗精车时，合理安排切削余量。当车削余量较大时，零件加工产生大量的切削热，热量越大零件变形越大。加工时可以分多步车削，精车前预留1 mm余量，再精车至尺寸。采取低转速、低走刀量方式，车刀喷注切削液。②针对零件中间切削余量最大的孔，采用端面挖槽的方法直接从端面将中间的余量两次掏下来，这样节约了时间，零件加工产生热量也会降低。③采用白刚刀取代硬质合金刀加工。白钢刀加工中刀具阻力较小，不易产生切削热和积屑瘤现象。④制作双面刃车刀，既能加工外圆又能车内孔，减少换刀次数，提高车削加工精度。

⑤在反爪上焊接一根铜棒，铜棒的直径为60 mm，增加夹紧部位与零件接触面，减少零件受夹紧的变形量。

对策2：①数铣前预留足够余量，精铣加工形成尺寸，通过铣削加工消除零件变形。②数铣铣台阶先将圆铣开，再加工台阶内外圆，先让零件充分应力变形，控制零件平面度。③根据以上数据变形趋势，安排合适刀具补偿，保证零件尺寸公差。

制作数铣工装将零件提高零件压紧定位准确性，防止零件夹伤。

对策3：普车及数铣工序间增加人工时效去应力退火。

5 效果验证

改进后零件加工尺寸稳定，零件质量高，工艺性较好，提升了零件加工效率，节约生产成本。

6 结论

铝合金零件加工变形产生原因：毛坯残余应力的释放、切削热与切削力引起的变形、工件的装夹变形和回弹

铝合金轴类薄壁零件，先粗去余量，然后热处理去应力后，再精加工。夹紧零件的时候，需要注意尽量选取壁厚的部位，避免因夹紧力与支撑力的作用点选择不当，会引起附加应力。工艺路线可以是：粗加工→热处理→半精加工→热处理→精加工。

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