提高大直径铝合金环形件车加工精度方法

史韵琦++朱颖++臧笑宇++何恩绪

摘 要：某公司大直径铝合金环形件由于自身刚性差易变形，加工过程中的应力重新分布导致零件合格率极低，原加工过程中每道工序都出现零件圆周和端面跳动较大问题，由于最终交付要求自由状态下达到所有特性要求，因此该件交付遇到困难，解决该类零件加工过程变形问题，是实现零件交付的必要前提。本文主要提出：通过调整自由度限制顺序并尽量实现不引起装夹变形；通过反复车平两面来逐步减小端面跳动量；通过优化刀具牌号及加工参数降低零件表面残余应力；通过加工中注意冷却方法解决铝合金变形问题和通过无法使用测具的情况下如何保证加工精度。

关键词：铝合金；变形；残余应力；冷却；测量

中图分类号：TH161 文献标识码：A

普惠公司大直径铝合金环形件是典型的易变形件，最终交付要求自由状态达到所有技术要求，由于该零件直径达到1200mm，高度约100mm，因而轴向和径向都会出现较大变形。

本文的主要内容包括：如何根据零件结构分析变形特点；如何减小过定位状态下的装夹变形；如何减小低刚性零件的端面跳动量；如何判定局部弹性形；如何选择刀具来控制零件表面面残余应力以降低应力重新分布引起的零件变形，以及如何在非标准温度下进行高精度尺寸的控制与检测。

1.零件加工思路及操作要点介绍

工艺路线思路：

经过初期加工实验，加工过程时刻伴随零件圆周和端面跳动量增大的问题，因而在粗加工和精加工之前增加修基准工序，进入半精加工和精加工后，需要严格注意残留到零件表面的加工应力，这部分应力同零件内部预先热处理以后残留的微小应力共同引起零件变形，因此半精加工和精加工过程根据零件结构选取加工区域逐步去除余量，最终达到零件设计要求。

根据初期加工分析总结，需要在加工过程中做到：第一，在任何工序中都严格控制两侧端面的全跳动，因为后续工序会由于这个问题产生装夹变形，变形累积到最终，将导致零件报废；第二，进行大余量去除无法保证跳动要求后必须进行修基准工序以方便后续装夹；第三，每次装夹后进行余量去除力求尽量不低于0.3mm且去除位置沿圆周均匀以避免后续产生的加工应力同之前残留的已平衡应力相叠加，进而出现更复杂的变形现象。

如图1所示，零件工序安排如下：毛料图表-车基准-粗车型面-粗车另一面-半精车大端-半精车小端-修基准-精车大端-精车小端-铣螺纹钻孔-去毛刺-检验-各种特种工艺。

2.通过选择刀具和加工参数控制零件变形的方法

2.1 刀具的选择

对于铝合金这类切削过程材料塑性变形较大的材料，刀具的选用与切削过程残余应力关系密切，在选用的刀具前角过小，后角不足情况下，零件易出现较大变形。因此选用刀具遵从大前角、大后角、刀片表面经过抛光处理，刀尖圆弧半径较小的刀具。

引起零件表面应力残留的原因主要是切屑形成过程中的材料塑性变形，变形后的材料与刀具后刀面挤压和摩擦形成浅表面的硬化，大部分数控刀具如负前角刀片大多形成压应力，正前角刀片中，由于受不同材料和后角大小因素影响，形成的应力也有所区别，大部分产生较低的压应力，对于铝合金材料，选用大前角大后角的抛光刀片一方面可以尽量降低切削过程对零件表面的残余应力，另一方面，刀片表面光滑，有利于降低摩擦力，降低切削力，减小零件和刀具的弹性变形。

2.2 加工参数的选择

选择切削参数，主要考虑零件表面的应力平衡，因此选用较常规加工更高的线速度，因为加大切削速度可以增加零件表面深层的压应力，而同时增大浅表面的拉应力，在一定的切削速度范围内，二者接近平衡。选择切深和进给的过程，考虑根据零件结构控制切削力方向，如果是加工上端面过程，希望切削力偏向轴向，因此选择小切深大进给，而加工内孔方向，希望切削力指向夹具端面方向，因而选择大切深小进给。精加工过程由于有表面粗糙度限制，进给值必须固定情况下，试验出切削速度的极限值。

加工铝合金需要时刻保持刀具切削刃的锋利，因此刀具寿命的延长也有利于零件加工精度的提高，切削三要素中，切削速度对刀具寿命影响最大，其次是主要由进给量决定的切屑厚度，最后是主要由切深决定的切屑宽度，在切削速度仅能在较小区间内调整的前提下，某些时候选用的刀尖圆角半径必然影响刀具完成每个部位加工内容的螺旋切削长度，由于刃口可以承受的最大切屑厚度是有极限的，较大的切屑厚度也导致零件表面残留应力加大，因此通过加大刀尖圆角半径可以在相同切深下降低切屑厚度，或提高进给值，在零件刚性允许情况下，使用稍大刀尖圆角可以在保证相同粗糙度的情况下应用更大进给值。

结论

找到一种合适的刀片槽型和材质，这要求这种刀片材料匹配被加工材料同时具有合理的几何形状；任何情况下都尽量不出现由于装夹引起的零件变形，如果批量较大，可以设计使用较为方便的专用工装，或用填充法避免定位面的悬空。

参考文献

[1]张溢芳.金属切削手册[M].上海：上海科学技术出版社，2011.

[2]余战波，黎志保.金属切削加工指南[M].北京：北京理工大学出版社，2014.