铝制球壳的加工工艺改进

2020-08-13陈书杨鲜海峰王维荣王学军吴黄世璋赵信文

科学技术创新 2020年23期

陈书杨鲜海峰王维荣王学军吴黄世璋赵信文

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621000）

大部分铝材料具有刚性差、强度低的特性，在加工中极易产生形变。加上零件的形状比较复杂，使零件加工的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。大部分球壳类零件的加工难点在于其零件的刚性较差，强度弱，装夹困难，易变性。不易保证零件的加工质量。影响球壳零件加工的主要因素主要有3 点：a.受力变形：大部分球壳件为薄壁件，加工受切削力挤压易使工件变形，故切削时应选用前角较大的刀具。b.受热变形：切削加工产生的切削热量使工件尺寸难以控制，加工应浇注冷却液。c.振动变形：在切削力的作用下，易产生振动和变形影响形状和尺寸位置精度及表面质量，选用道具刚性应足够强。通过改进薄壁零件的加工工艺可提高加工效率及产品合格率，节约成本和时间。下面我将通过例子具体介绍一种通过预留工艺卡头加工薄壁零件的新工艺。一般的加工工艺加工较困难，为此根据铝制球壳的特性，应合理选用夹具、刀具、切削用量等等。

图1

1 工件的装夹

在装夹的过程中，装夹力过大，易使工件变形；装夹力过小，在车削过程中可能因松动而产生扎刀现象，直接使得产品脱落报废。车削加工常用的装夹工具为三爪卡盘，作用力在3 点使得薄壁零件夹紧力不均，从而使夹紧力大的位置产生过切现象，加工后的成品壁厚不均。因此薄壁零件装夹应使零件的装夹面每一点的作用力保持均衡。根据公式P=F/S，可以指导，在压力一定的情况下，接触面积越大，压强越小。此球壳零件无法通过支架装夹加工成型，结合多年机械加工经验综合考虑装夹问题得出解决方案：预留工艺台阶，三爪卡盘装夹工艺台阶加工内外形，增加工艺台阶的装夹接触面。

2 选择刀具的几何角度

刀具几何角对车削过程中的切削力大小及热变形、排屑等都有很大影响。前角大小影响切屑的形状及刀具的锋利程度。前角越大，刀具越锋利，切削力越小。车铝的前角一般取20°左右。后角影响刀具后刀面与工件的摩擦情况。后角大，摩擦力就小，切削力就小，一般选择6°至8°。刀具主偏角决定刀具在轴向与径向的分力大小。主偏角越大，径向力越小，轴向力大。加工薄壁件时应选择刀具主偏角为93°。为便于排屑，刀具应有断屑槽，断屑槽圆弧半径一般选5mm 左右。综合刀具角度分析得出：刀具选择为刀尖角为55°的外圆刀和55°的内孔车刀。

3 切削用量的选择

车削球壳件过程中的变形是多方面的，装夹的夹紧力，切削产生切的切削力，工件在切削时产生的弹性变形和塑形变形，温度产生的热变形。减小切削力需要合理选择切削三要素。粗车时选择大切削深度和大进给，在保证刀具寿命的前提下，合理选择切削速度；精车选择切削厚度一般为0.2-0.4mm，进给量根据工件表面质量要求选择一般为0.05-0.08mm/rad。

4 切削液的选择

在切削过程中产生切削热，70%的切削热由切屑带走，其余30%由工件及刀具承受。切削产生的热量是刀具的硬度降低，使工件产生热变形。充分加注切削液不但可以降低刀具和工具承受的热量，而且可以起到润滑和清洗的作用，减少刀具的磨损，提高工件加工的表面粗糙度。加工铝件要选择润滑好及黏度小的油性液。经过反复实践，选用机油和柴油混合液不易粘刀而且表面粗糙度可达到0.6um。

5 工艺制定

该零件为半球，具有薄壁（1mm），装夹难度大，尺寸精度不好控制等特点，传统方法是通过先进行外球面加工，设计专用夹具，再加工内球面，该方法中夹具结构复杂，拆卸麻烦，成品率低的缺陷；夹具螺纹接触面是直接保证的尺寸，由于接触，无法直接测量，使内腔深度尺寸精度及薄壁厚度失控；由于工件和工装之间配合力较小，内腔切屑易积屑，加工容易出现打滑；由于配合力较小，粗加工时不能选择较大进给和切削深度，加工效率较低。对比传统加工，优化工艺得出最新加工工艺（图2）。

图2 改进后加工步骤

具体工艺安排如下：a. 备料：长度大于供给实际长度10mm，直接大于实际直接10mm；b. 粗车内轮廓：装夹外圆面，粗车内轮廓、平另一侧端面、另一次外圆见光，需注意孔口预留3.5mm 工艺段；c. 粗车外轮廓：倒头装夹，粗车另外轮廓，预留工艺卡头1、工艺卡头2，需注意刀具进给方向、外轮廓需多车削3.5mm 工艺段；d. 热处理：半成品热处理，消除内应力改善切削性能；e. 精车内轮廓：装夹工艺卡头2，精车内轮廓及端面，精车工艺卡头1 外圆；f. 精车外形面：装夹工艺卡头1，去除工艺卡头2，精加工外轮廓；g. 切断成型：运用特制2.5mm 宽切断刀切断，去毛刺成型，需注意特制2.5mm 切断刀为切断刀一侧刃磨后比较尖锐，刃磨后圆角约0.2mm。改进后的加工工艺具备：a.节约30%材料成本；b.节省50%加工时间;c.成品率较高。