铝板窄深槽加工工艺研究

2023-10-08 05:19:54刘兆辉彭学勇

工程与试验 2023年3期

刘兆辉,彭学勇,杨样,冯波,姜铭

(重庆红宇精密工业集团有限公司,重庆 402760)

1 引言

加工窄深槽的材料多采用硬质铝合金2A12-T4,该铝板具有较高的强度,切削性能良好。加工内容主要是在板状毛坯件表面加工一定数量的窄深槽,其宽度1mm～3mm,深度1mm～5mm,尺寸精度0.1mm,平面度精度0.05mm,槽的总长约为1m。窄深槽的加工在重庆红宇精密工业集团有限公司是首次进行,没有可以借鉴的经验,对于加工方法、工艺路线、切削参数、刀具选用、夹具设计等都需要进行分析、研究和试验。

本文用2A12-T4硬质铝合金作为工件材料,进行310°C～350°C完全退火以改善切削性能。以窄深槽的宽度和深度等作为评价指标,通过工艺方法、工艺路线、切削参数等方面研究窄深槽加工的稳定性和可靠性,确保实现产品的功能。

2 加工工艺分析

2.1 材料切削性能分析

毛坯主要采用的材料为2A12-T4硬质铝合金铝棒,其抗拉强度大于或等于300MPa,伸长率大于或等于15%,化学成分见表1。

表1 2A12-T4化学成分

从表中可以看出,Fe、Cu、Mn等金属含量总量为1.0%～1.3%,保证材料具有一定的强度;镁、铝含量超过97%,这使得材料具有良好的切削性能。

2.2 加工刀具分析

2.2.1 刀具选择

图1 窄深槽结构示意图

2.2.2 刀具材料及结构分析

对于刀具材料的选择,虽然被加工材料为铝合金,但由于刀具直径小,受切削力的影响(受力示意图见图2),普通材料刀具无法满足需求。以进给量fz=0.03mm/r,切削深度az=0.2mm,切削速度vc=60m/min计算,此时刀具受到的切向力为Fz=258.2N,轴向力Fx=119.5N,径向力Fy=39.6N,普通高速钢刀具的硬度、耐磨性、耐热性和韧性都无法满足需求。而同等条件下硬质合金刀具的硬度和红硬性(在切削高温下保持硬度的能力)更高,且硬质合金刀具的高速切削速度可达普通高速钢刀具的4倍以上。综上所述,本文选择硬质合金刀具加工窄深槽。

图2 铣削时刀具受力示意图

刀具在铣削过程中,受到3个力的作用:轴向力Fx、径向力Fy和切向力Fz(如图2所示)。切向力Fz在刀具的切线方向,且与刀具的旋转方向相反。刀具受到的切向阻力矩Tz=Fz·D/2,其消耗主要动力,使刀具发生扭转变形,甚至断裂。Fx、Fy、Fz及Tz计算见式(1)-式(4):

Fx=e-2.11vc1.79fz0.543az0.20

(1)

Fy=e5.89vc0.226fz0.298az0.613

(2)

Fz=e11.3vc-0.521fz0.660az0.807

(3)

Tz=FzD/2

(4)

受径向力的影响,刀具的长度发生变化,这会引起径向力矩的变化,且随刀具长度的增加而增大,见式(5)。

Ty=FyL

(5)

式中,Ty是径向力矩,L是铣刀悬长。

实际加工时,刀具悬长控制到最小,故刀具的切削刃长度决定了刀具的受力大小和刀具寿命。考虑被加工窄深槽的深度,刀具刃长选择3mm,其结构如图3所示。

2.3 加工设备选用

由于窄深槽的尺寸较小,受刀具直径的影响较大,加工过程中刀具受力将影响设备的选择。由式(3)可知,切向力Fz是关于切削速度vc的减函数,Fz随vc的增大而减小,同时,力矩Tz随之减小。因此,为减小切向力Fz,应尽可能提高主轴转速。

受槽尺寸、刀具尺寸及被加工材料加工速度影响,加工设备应具备高转速和高刚性。几种铝合金铣削推荐切削速度见表2。

本文涉及的被加工材料为铝合金Mg系,根据《机械加工工艺手册》,推荐切削速度取40m/min,主轴转速计算如下:

N=1000vc/πD

式中,N为主轴转速,vc为切削速度,π为圆周率,D为刀具直径,取1mm。

根据公式,计算得到N=12738r/min。

因此,加工设备必须能提供大于12738r/min的主轴转速,这对设备功率和刚性有较高的要求。按80%的载荷计算,设备的额定最高转速不小于12738/80%=15922r/min。因此,本文选用设备为MCV860高速立式加工中心,该设备的转速为0～20000r/min。

2.4 工艺路线分析

受加工方式和加工条件的影响,铣槽时,工件平放在工作台上,采用外力接触式装夹方式,工件受夹持力的影响会有一定程度的变形。变形越大,加工面的平面度变化越大,加工的窄深槽深度控制难度就越大,甚至无法保证深度。变形量随毛坯板料的厚度增大而减小。因此,必须解决毛坯板料平面度问题带来的窄深槽深度不合格问题。

对于薄板零件,变形是不可避免的,工艺研究的目的就是尽量将变形量控制在可接受的范围内,或加工前尽量消除变形带来的影响。

具体方法主要有:(1)采用人工时效、自然时效、振动时效、增加工件厚度或多种方法相结合等方法消除残余应力,释放变形,然后再进行后续加工;(2)优化装夹方式,使工件受到尽量小的夹持力;(3)优化切削参数,减少加工过程中工件受到的切削力、热应力等带来的影响。

窄深槽的功能是为后续工序的硅橡胶类材料装填提供空间,该空间由窄深槽的宽度和深度决定。加工时,刀具尺寸可保证窄深槽的宽度,而精确加工窄深槽的深度,其难度较大。如果窄深槽的深度不合格(或深或浅),将影响装填质量,从而影响后续装配和功能实现。

经过上述分析,保证装填质量的要点和重点就是窄深槽的实际宽度和深度,而毛坯板料自身的局部形状变化的重要性并不突出。因此,本文的研究重点是如何保证窄深槽的实际深度。

基于上述分析,工艺上将采取以下方法:(1)增加毛坯板料厚度,减少夹持力的影响;(2)增加热处理工序,改善切削性能并释放应力;(3)选用能提供12000r/min以上转速的加工设备;(4)选用整体式硬质合金立铣刀;(5)工艺路线优化。

2.5 切削参数分析

从式(1)-式(3)可以看出,加工过程中,刀具的受力大小与切削速度vc、进给量fz和切削深度az是函数关系。在切削速度vc一定的情况下,切削力与进给量fz和切削深度az是递增函数关系,即fz和az越大,或fz与az的乘积越大,刀具的受力就越大,刀具的寿命越低,尺寸稳定性越差。另外,还应综合考虑加工的效率问题。经计算,并经过多次优化,最终选择适合的切削参数如下:vc=40m/min(主轴转速N=13000r/min),fz=0.15mm/r,az=0.05mm。