铝合金薄壁外壳数控车加工工艺设计应用

马先铭

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

0 引言

薄壁壳类零件在工业中应用非常广泛，它具有质量轻、节约材料、结构紧凑等特点。回转体的薄壁零件一般选择在车床上进行加工也是车削中的难题，原因是薄壁零件一般形状结构多样且复杂，刚性相对不足，机械加工时容易变形，形位误差增大，不易保证零件的加工质量。

薄壁零件的生产，需设计合理的加工工艺、专用夹具和车削刀具。在数控车床上加工，可提高加工精度并有着较高的生产效率。在充分考虑加工工艺对零件加工质量的影响后，对工件的装夹、刀具选用和切削参数、数控车程序的编制等方面进行设计。有效克服薄壁工件加工困难，确保加工零件的精度要求。

1 设计思路与过程

1.1 铝合金薄壁外壳的结构和加工工艺分析

图1所示工件是矿用防爆电器产品上的一外壳零件，AL102铝合金压铸件，生产形式为大批量加工，对零件的互换性要求较高。其左端面上设置有两个偏心接线嘴1，工件整体为薄壁壳体结构，平均壁厚为3～4 mm。

矿用产品防爆电器的外壳在其性能和零件结构、技术要求等方面，国家标准GB3836-2010，行业标准及企业标准中都有着特殊规定，无论从外壳结构和技术质量、形位公差和表面质量等方面要求均较高。

图1所示工件为圆形回转体，宜选择在数控车床上加工[2]。其中槽2、外防爆面3和内防爆面5、内凸台4（如图1）的同轴度、垂直度、圆度等都有严格的要求，必须一次定位装夹中加工完成所有几何尺寸至要求，不可重复定位安装。

图1 工件示意图

以外凸台6位置作为工件的定位基准，装夹在车床三爪卡盘上一次安装车削全部的几何尺寸。如图1所示，此工件本工序有5个工步位置要加工，所使用的车刀涉及外圆刀、外沟槽刀、端面车刀、镗孔刀及中心位置的内凸台刀等多种类型。

1.2 工件装夹方案及夹具设计

1.2.1 工件装夹定位工艺分析

由于图1所示工件是铝合金材料的薄壁类壳体，工件在装夹时存在以下几个方面的问题：首先铝合金材质质地较软，又属于薄壁类零件，装夹易变形造成工件形位公差超差，严重的情况甚至工件被夹扁造成报废，不宜采用较大的夹紧力[3]。还要解决工件变形首先要加大卡爪与工件的接触面积，而传统卡爪夹紧与工件的接触仅为点线接触，接触面积小，因此必须对卡爪进行改进。由于图1所示工件有两个偏心接线嘴1且长度较长，传统的三爪卡盘的卡爪已不适用。

另一方面选择外凸台6为工件加工的装夹定位，此处是工件平均壁厚最大也是唯一可以选择的位置。但此凸台6长度较短，外圆又有1.5°的铸造拔模斜度，不利于工件的装夹。充分考虑上述几个方面的因素发现，必须对设计制造专用的卡爪来适应工件的装夹要求。

1.2.2 夹具的设计

图2所示为改制的三爪卡盘卡爪，由卡爪主体1、斜面2、锥台圆弧面3组成。斜面2（如图2）是工件安装时与工件斜面13（如图1）贴合作为工件的轴向定位基准，锥台圆弧面3是工件夹持工件外凸台6（如图1）的径向定位基准。

加长卡爪的轴向长度以适应工件长度装夹要求，需专门定制未进行热处理的软爪进行改制后使用。按照工件外凸台6的斜度车出锥台圆弧面3，按照工件斜面3（如图1）的斜度车削图2所示的斜面位置。锥台圆弧面3车加工后形成较大的圆弧面，增大了卡爪的夹持面积，可避免工件夹持变形，重复定位精度稳定。

图2 卡爪结构示意图

1.3 刀具选择

图1所示零件车削加工部分为外沟槽2、外防爆面3、内凸台4、内防爆端面5等。因此，数控车加工过程中至少选择4把刀具，具体如下：

T01:焊接式硬质合金外圆车刀，刀片为C型，主偏角95°，主要用于加工外轮廓的粗、精加工。采用较大的主偏角Kr=95°，负偏角Kr′=10°，主后角α0=8°、副后角α0′=5°，选用γ0=15°的前角，λσ=-2°的负值刃倾角，刀具刀刃锋利切削力减小，刀具切削中车削阻力小产生的切削热降低，工件变形量减小[1]。刀具磨制较大的圆弧断屑槽，刀刃的锋利排屑顺利。刀尖取R0.2 mm的圆弧修光刃。精车时采用小吃刀量、反向走刀的方法并选用合理的主轴转速和进给速度可达到较小的表面粗糙度值。

T02：焊接式硬质合金内孔车刀，刀片为C型，主偏角为93°，主要用于内孔轮廓的粗、精加工。采用Kr=93°的主偏角、10°的负偏角、5°的主后角和副后角、15°的前角，使径向切削力较小切削轻快[1]。选用R30的圆弧断屑槽，刀刃锋利不易粘附切屑瘤，容屑能力强、排屑顺畅，有利于车削内防爆面5（如图1）位置高表面质量[3]。

T03：凸台车刀，属特殊制作磨制的焊接式硬质合金外圆车刀，C型刀片，刀片宽度8 mm，主后角α=10°，副偏角8°。

T04：机夹式硬质合金切槽刀，刀片宽度为3 mm，主后角为8°，两个副后角为5°，主要用于加工外槽的粗、精加工。

所选定的刀具参数如表1所示，以便编程和操作管理。

表1 薄壁外壳数控加工刀具卡片

1.4 安排加工顺序

图1所示工件的加工顺序为：工件为铝合金压铸件，毛坯切削余量不大，为2 mm左右，考虑内外防爆面的精度和表面粗糙度的要求，加工时应分为粗车和精车，可提高零件的加工精度。从图1所示工件分析来看，其有内孔面也有外圆表面，加工顺序应为先粗车内、外表面，再精车内表面和外表面。

1.5 选择切削用量

粗加工一般以提高生产效率为主，选择尽可能大的背吃刀量和进给量，同时兼顾考虑经济性和加工成本；精加工首先保证加工质量，选择较高的切削速度和较小的进给量，同时兼顾切削效率、经济性。 根据图1所示工件的各工步内容选择使用的刀具，粗车时选择主轴转速800 r/min，横向进给量与纵向进给量选择0.2～0.3 mm/r，切削深度为1～2 mm；精车时主轴转速为1200 r/min，横向进给量与纵向进给量选择0.05～0.10 mm/r，切削深度为0.1～0.2 mm。

1.6 工艺文件设计

综合上述工艺分析的各项内容，制定数控车加工工艺卡，如表2所示。

表2 薄壁外壳数控加工工艺卡

1.7 程序编制

在FANUC-oi数控系统的数控车床上加工图1所示薄壁外壳，由于篇幅所限只对其精加工部分程序进行表述。薄壁外壳精加工程序编制如表3中所示。

表3 薄壁外壳数控加工精加工程序清单

2 铝合金薄壁外壳的加工

2.1 工件安装

如图3所示，卡爪设计并车加工后与三爪卡盘装配，工件铸造毛坯件装入卡爪2上的锥台圆弧面，并使卡爪2上的斜面与工件斜面贴合定位，然后施加一定的预夹紧力，开车查看工件是否与车床主轴同心，无误后对铸件毛坯适当力度夹紧即可进行车削加工。装夹铸件毛坯时不可用力过度，防止工件由于夹紧力过大而造成工件夹扁或变形。

图3 工件安装示意图

2.2 工件加工

1）根据图1所示工件的各工步内容选择使用的刀具，粗车时选择主轴转速800 r/min，横向进给量与纵向进给量选择0.2～0.3 mm/r，切削深度为1～2 mm。精车时主轴转速为1000 r/min，横向进给量与纵向进给量选择0.05～0.10 mm/r，切削深度为0.1～0.2 mm[4]。

2）精加工过程中，主轴转速调整至1200 r/min，进给量选择0.08 mm/r，切削深度为0.1 mm，大幅度提高了工件的表面粗糙度质量要求。

本工艺在FANUC系统数控车床上加工图1所示工件尤其适用，程序的编制简单、节约刀具调换、调整等辅助时间，可确保工件的互换性，显著提高加工质量，生产效率大幅度提高。

3 结论

针对矿用防爆电器铝合金薄壁外壳车削工艺的设计，已在实际生产应用中得到了验证，实践证明达到了以下目的和效果：1）专用卡爪的设计解决了铝合金薄壁外壳装夹易变形的工艺难题，重复定位准确、精度高；2）工艺设计科学，程序编制合理，工件加工节省了工时，大幅度提高了生产效率。