高精度薄壁细长铝管件加工工艺研究

0引言

随着科学技术的快速发展,薄壁零件高效高精度的数控加工技术为高新技术产业带来了全新的发展机遇,同时该数控技术也提高了制造企业核心竞争力,不仅如此,通过薄壁零件也能体现出国家制造业水平。虽然汽车制造业以及军工业等各领域均广泛应用了薄壁零件,但是,薄壁零件加工过程仍旧存在诸多问题,在加工过程中难免会生产出个别不符合要求的零件,出现零件浪费情况^[1]。

高精度大长径比薄壁铝管件(长径比大于10,壁厚小于3 mm)被广泛应用于火炮、直升机等领域,其材料的性能和加工质量关系着火炮、直升机功能的发挥。目前,高精度内孔加工方法主要包括内孔磨削(精加工进行珩磨)、内孔镗削 (在镗床上用镗刀加工)、内孔车削(在车床上使用车刀加工)、拉床切削(使用拉刀加工)等。这些内孔加工方法都很成熟,已经在机加工行业广泛应用。铝材只能车削、镗削加工,不能采用磨削。从零件材料、装夹及加工刀具的选择,到保证尺寸精度的考虑,综合而言,采用镗削加工方法最为合适^[2]。

因铝材具有质量轻、刚性不足、易变形等特点,对大长径比薄壁铝管件,其加工质量不仅取决于材料质量,也取决于管件的装夹方式、加工方法等^[3]。本文以某铝管件为例,介绍一种高精度大长径比薄壁铝管件的加工方法。

1 零件结构介绍

零件结构如图1所示,管件具有大长径比(大于12),壁厚2~3 mm,长476 mm,材料为7075A高强度铝合金。两端支口孔尺寸精度高且有同轴度要求,外圆对两端支口孔有跳动要求,且尺寸公差要求也较高。总之,对内孔、外径及尾翼的尺寸、形位精度和表面质量要求都很高,属于管类异形、薄壁、深孔加工件,加工过程变形大、易让刀,尺寸公差和形位公差保证困难,加工难度很大。

2加工工艺难点分析

经过分析与实际考察,在加工过程中主要存在以下难点:

1)壁厚只有2~3 mm(2 mm壁厚占到零件总长尺寸的一半),管壁薄、结构刚性差,容易产生装夹变形和加工变形。

2)内孔尺寸为φ38H70+0.025 mm,公差只有0.025mm,表面粗糙度不大于Ra1.6μm,长径比为12.5>10(长径比大于10即为细长杆/孔),属于高精度、薄壁、细长孔加工。而由于材料为铝合金,无法采用传统珩磨的精加工方法,只能采用车削或镗削的加工方法。但是,加工过程中刀杆悬臂较长,容易出现让刀、落头现象。

3)尾翼部分为四组均布的、T型结构的圆弧腰型槽,壁厚只有1.5 mm,圆弧腰型槽的宽度为7.5 mm、长度100mm、粗糙度Ra1.6μm。表面精加工时刀具最大直径为φ7mm、长度尺寸为130mm,长径比为130/7≈18.6,刚性很差,会出现让刀、震颤现象,严重影响尺寸精度和表面质量。

3解决措施

3.1 工艺方案确定

对铝管件的工艺特征进行分析,可以归纳为两个加工难点:一是薄壁细长深孔的精密加工,二是异形薄壁尾翼部分的精加工。针对高精度细长深孔的加工,制定钻底孔—粗镗去大量余量—时效去应力—半精镗修正形位公差—浮动精镗的工艺路线;同时,制定了设计制作弹性卡箍减少装夹变形,设计制作高强专用镗刀杆解决震颤、让刀问题的工艺方案。针对异形薄壁尾翼部分的精加工,制定分步完成加工的工艺方案,即将尾翼部分的腰型深窄槽和四处70°弧面缺口分开加工,以确保其加工应力不会对内孔精度和尾翼配合精度造成影响。尾翼处腰型深窄槽的加工安排在粗镗孔工序之后、精镗孔工序之前,以避免其加工应力对内孔精度造成影响;尾翼70°弧面缺口加工安排在外圆精加工之前,以消除缺口处外张或缩口而造成尾翼处的配合尺寸φ60h9 mm (同轴度≤φ0.05)超差问题,确保配合精度^[4]。

具体的加工工艺路线如下:备料—数车(粗车外圆、内孔)—镗(粗镗内孔)—数车(粗车外圆)—热处理(时效去应力)—数车(半精车外圆)—加工中心(铣腰槽)—镗(半精镗、精镗内孔)—加工中心 (铣70°弧面)—数车(精车外径)—钳(抛光、去毛刺)—表面处理。

3.2 工艺装置设计及应用

1)设计制作弹性卡箍,实物如图2所示。材料采用拉伸性能较好的1060铝板,将其加工为壁厚5 mm 的半圆形,其内径尺寸比铝管件镂空端外径尺寸小

1.5 mm,中间外部带有平面便于装夹。装夹时,弹性卡箍半圆内侧两边与零件外圆为线接触,下压压板时,压力分散到两边,形成一个均匀的包裹力,减小零件的受力变形。精镗孔时采用弹性卡箍装夹浮动镗削的方法,工件下部采用V型垫铁支撑,受力面刚好在工件尾翼的两条支撑筋处,上部采用专用卡箍,与工件接触面设计成对称的两斜面,压紧工件时,卡箍的两处斜平面刚好卡在工件上部的两处支撑筋处,与工件为线接触,以减小受力面,同时卡箍内径与工件外径之间留有一定间隙,以保证压紧时垂直压紧力被分解和部分吸收,使工件受力均匀而缓慢,从而减小零件的变形,装夹实物如图3所示。

2)设计制作高强度专用镗刀杆,结构如图4、图5所示,精镗刀杆实物如图6所示,解决半精镗、精镗过程中出现的震颤、让刀问题。

从 图4、图5可 以看 出刀 杆 的 长径 比 分 别 为636/34≈18.7、628/35≈17.9,均为细长杆,刚性差,为提高刀杆的刚性和强度,消除加工过程中因刀杆刚性差造成的让刀、震颤现象,确定选用中碳合金钢40Cr进行制作,并对刀杆进行淬火处理,使其洛氏硬度值为HRC45~48。设计制作的浮动精镗刀杆实物和采用的浮动镗刀头如图6、图7所示。

浮动镗刀头安装在浮动镗刀杆的长方刀槽孔中,即图5中12 mm×25 mm方孔中,并可在方孔中自由滑动;在切削过程中,浮动镗刀靠相对的两个切削刃上的径向分力自动对中;镗削开始时,被加工孔的轴线往往与浮动镗刀对称中心不重合,径向力大的一侧将克服浮动镗刀与浮动镗刀体长方孔之间的摩擦力,向径向力小的一侧滑动;随着进给深度的增大,浮动镗刀的切削锥全部进入孔内,两刀刃径向力逐渐平衡,至浮动镗刀全部切入后,两刀刃上的径向力在理论上完全抵消,达到孔轴线与浮动镗刀对称中心重合;浮动镗孔可以减小或消除由刀具旋转轴线与被加工孔轴线不重合以及刀杆径向跳动所引起的加工误差,提高孔径尺寸精度、圆度,并控制轴线偏差^[5]。

3)设计制作微小锥度芯轴,如图8所示,减少精车外圆时因壁薄而产生的应力变形对内孔(φ38H7mm)精度的影响,从而减少壁厚误差。小锥度芯轴的锥度一般在1:1 000~1:5 000,制作方便,一般利用优质碳素结构钢45进行加工,粗车后淬火,硬度达HRC35~40,再利用外圆磨床进行磨削即可得到较高精度的芯轴^[6]。由于工件长度较大,加工时采用的芯轴锥度达到1:8 700,属于微小锥度芯轴,是由粗车—调质—精车—磨削加工后得到的高精度的芯轴。

在设计制作芯轴时,采用微小锥度定心的方法,使用时既能够准确定心,又能够增大支撑面积,而且拆卸方便,保证外径与内孔的同轴度和壁厚尺寸公差符合设计要求。即在精车外圆时,采用芯轴定位夹紧方式,使夹紧力沿着刚性较好的轴向方向分布,同时可以增加夹紧面积而减小变形。

4)设计制作专用抛光装置,如图9所示。该抛光装置共由五个零件组成,其中本体的外形尺寸与尾翼内腔尺寸相匹配,使其安装抛光布后,能够充分与尾翼内腔磨合。利用该抛光装置,在不影响加工尺寸精度的前提下,消除因铣削尾翼部深窄腰槽而产生的振纹,提高表面光洁度和零件表面质量。腰槽抛光前后对比情况如图10所示。

3.3 切削参数确定

半精镗孔时,选用前角为90O的镗孔刀进行半精加工,切削深度为0.5 mm/r,进给量为0.2 mm/r,速度为55 r/min,保障零件的变形量最小,保证孔的直线度不超过0.1 mm,留精加工余量0.2~0.25 mm。

精镗孔时,使用浮动镗刀,调节好刀具直径,用手轻扶刀体慢慢推入孔口,刀刃上设计有修光倒角,可以起到自动定心的作用。开启机床主轴旋转,加工转速为28r/min,切削深度为0.15mm/r,进给量为0.18 mm/r。

3.4环境要求

环境状况对铝管的装夹、加工及尺寸影响很大,加工现场环境温度要求控制在17~23 ℃ ,湿度30%~80%^[3]。

3.5 零件的运转

由于大长径比薄壁铝管极易变形,在铝管材与铝管件的周转过程中要设计制造专用零件箱,根据其重心位置和结构设计合理的支承点,夹持部位要用软材料,以防划伤零件表面^[3]。

4效果和意义

采用该工艺技术加工生产的首批20件铝管件零件,经过专检,尺寸精度、形位公差和表面质量完全满足设计图纸要求,产品一次交验合格率达100%。经过现场试验,效果良好,既保证了产品质量,又有效保证了研制进度,得到了用户好评。后续又生产了40件铝管件零件,精度也都完全满足设计要求,产生了良好的经济效益和社会效益。

5 结束语

该研究的工艺技术对于细长孔的精密加工、变形控制具有十分突出的借鉴和指导作用,可推广应用于具有高表面质量的带尾翼的弹体类零件的精密加工,也可推广应用于薄壁深孔类零件的加工生产,节创价值突出,可广泛应用于军民领域结构类似零件的精密加工,具有广阔的推广应用前景。

[参考文献]

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[6]王荣志.在车床上加工薄壁工件的装夹方法[J].机械工程师,2011(5):121—122.

2024年第15期第23篇