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有（yǒu）效控製薄壁鋁合金細長軸加工變形的方法分析

2020-2-11 來源：天津（jīn）機電職業技術學院北華航天工業學院作者：張文健楊嵩

摘要: 針對薄壁鋁合金細長軸零件在加工過程中（zhōng）容易發生變形的特點（diǎn），闡述了引起（qǐ）加（jiā）工變形的原因，並通過改變相應加（jiā）工工藝等措施來控製加工變形，從而保證了工件的尺寸與形位公差（chà）以及表麵（miàn）粗糙度要求，關鍵步驟選用雙頂尖裝夾以及增加輔（fǔ）助虎鉗頂夾的加工工藝，在生（shēng）產（chǎn）實踐（jiàn）中具有指導意義。

關（guān）鍵詞: 細長軸; 薄壁; 鋁合金; 加工變形

1、引言

根（gēn）據（jù）生產要求，需將（jiāng）毛坯直徑 30mm、長度360mm 的 LY12CZ 鋁合金加工成圖 1 所示的（de）細長軸類（lèi）零件。要求細長軸兩端外圓與其中心軸線的同軸度要求為 0． 05mm，中間兩個凹槽底麵與其軸線的垂直度要求為 0． 05mm，兩端外圓尺寸精度為25. 40－ 0． 1，整個工（gōng）件的形狀位置公（gōng）差與尺寸公差要求都（dōu）很高。

圖1 零件主俯視圖

圖 2 為零件 D 向視圖（tú）。由圖可知，零件中間部分加工完成後（hòu）的厚度僅剩 1． 5mm，在加（jiā）工中極易出（chū）現加工振動變形，影響加工質量，嚴重時會使工件報廢，因（yīn）此，在加工過程中如何防止加（jiā）工變（biàn）形是首要要考慮的問題。

圖2 零件 D 向視圖

2、改進工藝流程

2. 1 原有加工工藝分析

原有加工工藝流程: 粗、精車外圓（yuán）→粗、精（jīng）銑（xǐ）細長軸各個加工部位→鑽端麵孔（kǒng）→攻（gōng）端麵 M5 螺紋。按照該加工（gōng）工藝加工完畢後，發現（xiàn）工件發生嚴重彎（wān）曲變形，變形量達到（dào） 3 － 5mm，變形部位發生在工件的中心（xīn）位置，向銑完一端的（de）凹槽方向彎曲，與原圖形位公差要求嚴重不符，工件報廢。

通過分析發現，造成加工彎曲（qǔ）變形（xíng）的主要原因是粗車加工（gōng）完（wán）成（chéng）後直接精車，此時工件的（de）加工變形不明顯，繼而進行粗銑（xǐ）與精（jīng）銑的加工，由於粗（cū）銑加工完一端凹槽（cáo）旋轉 180°加工（gōng）第二（èr）個凹槽時，工件中部凹槽的部分由於單方向受力不均勻，工件（jiàn）必然會向強度薄弱的一方（fāng）( 已（yǐ）加工完方向) 彎（wān）曲變（biàn）形，造成工件報廢，出現該現象也與刀具角度、裝夾方（fāng）式（shì）、鋁合金特（tè）性、冷卻（què）是否充足等因素有關。

2. 2 改進（jìn）的加工工藝

為了有效控製加工變形，保（bǎo）證工件的尺寸公差與形狀（zhuàng）位置公（gōng）差，需要改進加工工藝。改進的（de）加工工藝如下:

①粗（cū）車（chē）: 兩端（duān）打中心孔，通過一夾一頂的方法車端麵，外圓車至 27． 3 ± 0． 1、長度（dù） 351． 5mm，需要注意的是兩端中心孔（kǒng）( 頂尖（jiān）孔) 要小;

②粗（cū）銑: 在加工中心上通過分度頭一夾一頂的方法銑兩側 295 × 20． 6 兩槽，各槽單邊為精銑加工留 0． 3mm 餘（yú）量。注意旋轉 180°加工第二個凹槽時工件中部要增加輔助虎鉗頂夾的（de）裝夾工藝，以保證工（gōng）件的（de）形狀與位（wèi）置公差要求;

③時效（xiào）處理: 精車（chē）加工前，把工件重新加熱到180 ± 5℃ ，保溫（wēn） 4 小時，然後隨爐冷卻，使得經過時效處理後強度與硬度顯（xiǎn）著提高，而塑性則有所下降，提（tí）高切（qiē）削加工性能，為下一步精加工工序時（shí）保證加工尺寸精（jīng）度與形位公差打下良好基礎。

④精車: 為使工件在靜（jìng）止狀態下也能保證形位公差，采用雙頂尖（jiān）方式（shì）裝夾工件，精車外圓尺寸270－ 0． 1到尺寸，精（jīng）車兩端（duān）麵（miàn），保證兩端麵相對於軸線的垂直度要求控製在 0． 05mm 以內，右端保留中心（xīn）孔，M5 暫不加工，通過開（kāi）口套裝夾工件外圓，找正工件外圓鑽 M5 底（dǐ）孔，倒角 1 × 45°。

⑤精銑: 在加工中（zhōng）心上通過分度頭一夾一頂的方法銑 295 × 20． 6 兩槽到尺寸，注（zhù）意控製兩個凹槽底麵與其軸線的垂（chuí）直度要求為 0． 05mm; 同時為了避免在加工第二個凹槽時向第（dì）一個凹槽方向的加工變形，中間采（cǎi）用虎鉗夾持的方法來保證工件的剛性，從而有效控製工件的尺（chǐ）寸與形（xíng）位（wèi）工（gōng）差要求。

3 、加工工藝關鍵步驟

( 1) 雙頂尖裝（zhuāng）夾精車細長軸外圓（yuán）

由於原有加（jiā）工工藝難以保證工件尺寸與形位公差要求，所以需要改變加工工藝，將精車工（gōng）序放置在（zài）粗銑加工工（gōng）序後，將粗銑加（jiā）工完後的變形在精車（chē）工（gōng）序（xù）內消除。另外，在精車加工（gōng）前增加了熱處理加工工（gōng）藝（yì），就會將粗車（chē）、粗銑加工造成的加工彎曲變形在時效熱處（chù）理階段進行消除，釋放內應力，工件內部組織強化，強度與硬度顯著提高（gāo），為精車、精銑打下良好基礎。區別於粗車時一夾（jiá）一頂的裝夾加工（gōng）工藝，在精車（chē）時采用了雙頂尖裝夾的加工（gōng）工藝。零件在粗車、粗銑（xǐ）後由於受力變形（xíng）會造成工件在靜止狀態下有一（yī）個較大的彎曲，所以在精車階段的主（zhǔ）要任務是將粗車、粗銑造成的加工變形控製在合格的公差範圍內。采用（yòng）雙頂尖裝夾（jiá）工件（jiàn）時，車床頂尖是一（yī）個與車床主軸同心的圓錐，分為前頂心和後頂心。後頂心裝在車床尾部，使用時將其頂在被加工件的旋轉軸心上，起到穩定工（gōng）件旋轉軸心的作用，前頂心裝（zhuāng）在車床主軸上或用三爪自定心卡盤夾持，使用時將其頂在（zài）被加工件的旋轉軸心上，起到帶（dài）動工件旋轉和穩定工（gōng）件旋轉軸心的作用。

使用（yòng）雙頂尖加工時，由於頂心和工件的接觸麵小，傳動力矩短，所以不太適合用（yòng）於直徑較大的工件或進刀（dāo）量大的場合，但由於頂心夾持時具有自動對準工件旋轉軸心的作用，所以適用於（yú）需要多次重複裝卸的加工工件。

刀具角度的選擇也很關鍵，實踐證明，合理的車刀角度為前角 γ0= 18°－ 20°，後角 α0= 20°－ 24°，主偏角 κr= 90°－ 95°，副偏角 φr= 10°－ 12°，刃傾角（jiǎo） λs= 15°－ 20°。此外，采用雙頂尖裝夾，頂尖（jiān）不（bú）能頂（dǐng）得太緊或太鬆（sōng），車削過程中需隨（suí）時（shí）注意並及時調整。車削加工前，床鞍（ān）應左右（yòu）移（yí）動全行程，觀察有無碰撞現象（xiàng）。

( 2) 利用（yòng）分度頭（tóu）在加工中心上（shàng）進行精銑加工（gōng）

精銑加工前（qián）要在加工（gōng）中心上對（duì）分度頭進行找正，確保分度頭在機床上自身的位置精度。分度頭找正的步驟為: ①分度（dù）頭的主軸軸向在數控銑（xǐ）床上確保與機床工作台 X 向平行，用杠（gàng）杆百（bǎi）分表檢驗驗棒根部的圓跳動，使之在 0． 03mm 以內; ②檢驗驗棒端部圓跳動，通過調整達（dá）到 0． 03mm 以內; ③檢驗驗棒的上母線，通過切高（gāo）點的方法（fǎ），調整分度頭是（shì）否仰頭或俯頭，保證分度頭的軸向與數控銑（xǐ）床 X 向平行; ④檢驗驗棒的側（cè）母線，確定（dìng）分度頭與機床（chuáng）工作台X 向平行。驗棒找正後，將細（xì）長軸零件裝夾在分度頭上，通過一夾一頂的方式進行 295 × 20． 6 兩槽的精銑加工。

( 3) 利用平口鉗夾（jiá）持中間部位進行反向精銑加工

通過實例驗證，鋁合金薄壁細長軸在沒有夾具頂卡的（de）情況（kuàng）下加工完第一麵後還勉強（qiáng）可以進行加工，旋轉 180°後加工（gōng）第二麵時由於工件受力變形，刀具與工件接（jiē）觸處發出巨大的響聲及顫動，會出現銑刀崩刃、工件撅起（qǐ）等嚴重後果，此時工件不能正常加（jiā）工。因（yīn）此需要改進加工工藝，采取措（cuò）施為通過（guò）采用平口鉗裝夾薄壁細長軸零件的中間部（bù）分（fèn）( 見圖 3)增加對工件的夾持力，提高細長軸自身剛度，防止切削振動，保（bǎo）證工件的順利加工。

圖 3 平口鉗頂夾中（zhōng）間部位加工薄壁零件

采用（yòng）平口鉗夾（jiá）持細（xì）長軸中（zhōng）間部位的裝夾（jiá）工藝（yì）時（shí）需要注意，采用壓表法將虎（hǔ）鉗的固定鉗口與細長軸（zhóu）輕輕貼合，通過 0． 02mm 塞尺控製好細長軸與固定鉗口的縫隙，在裝夾過程中既（jì）要保證（zhèng）虎鉗裝夾不（bú）能（néng）過定位，細長軸又能轉動自如，工件的彎曲（qǔ）變形被控製在很小範（fàn）圍內，有效保證了（le）細長軸的定位精度。

應（yīng）注（zhù）意（yì）在旋（xuán）轉細長軸時，必須（xū）將細長軸與固定虎（hǔ）鉗之間（jiān）的切屑清除幹淨，防止工件外表夾屑或者切屑劃（huá）傷細長軸的外加工表麵，影響細長軸表麵粗糙度（dù）精度要求（qiú）。最終（zhōng）加工完的零件見圖 4。

圖 4 薄（báo）壁（bì）細長軸零件加工效果

4 、結語

針對細長軸薄壁鋁合金零件難加工以及容易發生加工變形的特點，詳（xiáng）細闡（chǎn）述了具體加工工藝步驟以（yǐ）及選用合適的裝夾工藝來保證（zhèng）其尺寸與形狀位置（zhì）公差以及表麵粗糙（cāo）度要求，關鍵步驟采用（yòng）雙頂尖裝夾與虎鉗頂夾的輔助裝夾加工工（gōng）藝（yì），改變了細長軸在銑削（xuē）加工（gōng）過程中的固有共振頻率，解決了剛性差問題，大大提高了細長軸的（de）整體機械切削加工性能，這種加工方法在生產實（shí）踐（jiàn）中具有實踐指導意義。

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