薄壁件多指壁厚與輪廓尺寸之比不超過1∶20的工件,有薄壁箱型、薄壁筒型及薄闆型等多種結構,具有空間占用比較小、質量輕等優勢,被大量使用在航空航天、精密儀器等多個領域[1]。目前國内外主要采用數控技術、加工中心及高速加工方法加工薄壁件,特别是高速銑削的加工方式被廣為采用,以此來滿足薄壁件的高加工精度要求,以及提升工作效率。通過加工工藝方案分析及判定,減小高速切削過程中薄壁件的變形,最終滿足工件成形技術要求。
本文針對薄壁件的特點、結構要求及工藝路線等進行理論分析,闡述薄壁件加工技術難點和工藝方案,重點使用數控車床和加工中心設備,以高速銑削方式達到零件的結構及精度要求。
01
影響薄壁件變形的多種因素及解決措施
(1)工件本身的結構及材料 汽車工業及航空航天領域存在大量回轉類、闆框類和曲面類工件,不同結構工件的強度、剛度存在差異。材料不同、力學性能不同,切削加工性就會産生很大的差異。
(2)夾具 工裝夾具的結構和夾緊力對薄壁零件變形影響很大。工件若受夾緊力不均,則形位會發生變化,從而影響加工精度。預防措施一是采用圓弧形卡爪,将點接觸變為面接觸,增加接觸面積;二是采用開口套,将卡爪的點受力轉化成開口套的面夾緊,使得受力均勻,變形均勻;三是采取可溶性膠灌注,在工件内注入可溶性膠,之後夾緊[2]。
(3)工藝參數 根據工件圖樣選擇相應的刀具,匹配合理的進給速度、轉速及切削深度。可以采用高速切削技術來降低加工時的切削力,以減少變形。由于随着吃刀量的增大,切削力增大,工件的振動也會增大,因此在加工薄壁件時,應選擇較小的吃刀量,以減少振動,從而保證加工精度[3]。
(4)其他影響因素 主要是工件受熱變形。若冷卻性能不理想,切削過程中刀具及工件摩擦産生的熱量也會導緻工件變形,從而降低加工精度。
02
工件結構
圖1所示工件材質為LY12CZ鋁合金,外圓直徑514mm,厚度7mm。外圓直徑大、厚度薄,屬于典型的薄壁零件。外圓上有加工環槽,且環槽尺寸較長,圓周端面上均布12個加工孔和4個支耳,工件剛性差,裝夾和加工過程中極易發生變形。同時零件的平面度有較高的要求,溝槽及外表面的表面粗糙度要求也較高,使得工件加工難度較大,如加工工藝路線選擇不當,則加工精度無法控制,工件質量得不到保證。
圖一工件
工藝分析
(1)結構分析 工件為環形零件,結構整體規則,圓周上小孔均勻分布,支耳對稱分布,溝槽沿圓周均勻分布,無異形面,無複雜結構,工件結構規整簡單。
(2)材料分析 零件材料牌号為LY12CZ,屬于含鎂銅基鋁合金,材料強度較高,在退火、淬火狀态下有較好的性能,切削性能尚可。
(3)精度要求 該工件重點要求平面度≤0.05mm,要求環形槽表面粗糙度值Ra=1.6mm,其他表面粗糙度值Ra=3.2mm,其餘皆為自由公差,精度要求并不苛刻。
(4)成形分析 工件為環形回轉類零件,可采取車削和銑削方式達到成形零件的結構及精度要求,重點使用設備為數控車床和加工中心。
(5)工藝難點 工件本身結構簡單,精度較易控制。由于工件壁薄,外圓尺寸大(直徑達514mm),加工過程中極易産生變形,如不采取可靠的變形控制措施,則容易出現不合格品,所以工藝成形的難點在于變形的控制。可通過控制工件的變形,在工裝和加工設備的保證下,加工出合格成品。
04
工藝方案
4.1 方案一
主要工序如下。
(1)數控車一 來料質檢後,脹夾零件内孔,下料。
(2)數控車二 時效處理後,端面見光,保證平面度及外圓公差。
(3)加工中心銑削一 車削好的端面及外圓定位,粗開内腔及支耳圓周正面,預留餘量,并保證總厚度。
(4)加工中心銑削二 内腔輪廓、厚度及外圓依次加工到位後,銑削環槽及外圓倒角到位,以外圓定位,再加工支耳螺紋到位。
(5)四軸加工中心銑削 外圓分中找正,圓周内孔及環槽清根到位。
(6)鉗工序 倒鈍銳邊,去毛刺。
4.2 方案二
主要工序如下。
(1)數控車一 來料質檢後,脹夾零件内孔,下料。
(2)數控車二 時效處理後,端面見光,保證平面度及外圓公差。
(3)加工中心銑削一 車削好的端面及外圓定位,粗開内腔及支耳圓周正面開粗,預留餘量,并保證總厚度。加工完成後,每件用三坐标測量儀标記零件變形位置和變形量。
(4)加工中心銑削二 時效處理後,正面銑預留餘量,并保證平面度。
(5)加工中心銑削三 以銑好平面定位,正面銑内腔及工藝支耳,預留餘量,翻面開粗内腔及工藝支耳,預留餘量,加工後用三坐标測量儀重點檢測外圓及平面度,标記零件變形位置,若變形量大于要求,則全批次加工本序。
(6)加工中心銑削四 外圓定位,銑削内腔工藝支耳、外圓及表面到餘量尺寸,翻面正面内腔開粗及工藝支耳加工到餘量尺寸,加工後用三坐标測量儀重點檢測外圓及平面度,标記零件變形位置,若變形量大于要求,則全批次加工本序。
(7)線切割 線切割去除兩處工藝凸台,與内腔相接平,
(8)加工中心銑削五 外圓定位,銑削内腔輪廓、工藝支耳、外圓及表面,預留餘量,用三坐标測量儀重點檢測外圓及平面度,标記零件變形位置,根據變形量确認是否增加熱處理工序。
(9)加工中心銑削六 外圓定位,先加工零件内腔輪廓到位,換壓闆加工外圓和厚度到位,T形刀加工圓周半環槽到位,外圓倒角加工到位,正面支耳加工到位,并進行首件檢測。
(10)四軸加工中心銑削 外圓分中找正,圓周内孔及環槽清根到位。
(11)鉗工序 倒鈍銳邊,去毛刺。
05
工藝方案比較
方案一下料後,一次性時效處理,端面見光,精度一次性到位,并以此端面為基準,加工後續外圓和内腔,通過粗、精兩次加工達到工件成形。該方案工藝簡單,能保證端面的平面度,加工速度快,但加工過程中工件變形不易控制,無過程監控,容易出現質量瑕疵,達不到尺寸及精度要求。
方案二前三道工序與方案一相同,第五道工序外圓及内腔開粗後,保留加工餘量,并用三坐标測量儀檢測工件變形量,通過時效處理、預留富餘加工餘量反複加工,以及使用三坐标測量儀進行外圓和平面度的過程檢測,确保工件成形合格率。
方案一工藝流程簡單,加工成本低,加工效率高,但工件變形過程控制手段缺失,易産生因工件變形而引起的不合格品;方案二工藝流程科學合理,采取變形控制措施,嚴格控制工件加工過程中的變形,有效解決了因工件變形而引起的産品不良問題,但是加工成本高。
由于方案二從根本上解決了工件變形、質量問題,優于方案一,因此采用方案二進行該薄壁件的加工更符合技術要求。
過程檢驗控制
加工過程中,對工件加工工序的過程檢驗是必不可少的程序,需要使用專業的檢具和量具來完成零件尺寸和精度的檢測。方案一沒有采取相應的檢測手段來測量工件的變形,主要依靠主觀經驗進行判斷;方案二重點通過三坐标測量儀來檢測工件的重要變形數據指标,使用客觀科學的數據說話,對變形的位置、變形量進行精确掌握和分析,為判定下一步工序操作提供有力證據,從而可采取相應的措施,消除變形引起的偏差,加工出合格的零件。
07變形的控制
從影響薄壁件變形因素的角度入手,主要從以下幾個方面進行變形控制。
(1)裝夾方式 使用軟卡爪脹夾内孔,避免車削過程中工件變形帶來的尺寸偏差,同時在工件内腔左右兩處留工藝凸台(見圖2),凸台形狀與支耳一緻,便于零件裝夾,減少零件變形。
圖2 工藝凸台
(2)降低工件殘餘應力 LY12CZ鋁合金材料在加工過程中會産生内應力釋放,從而産生材料變形。由于采用退火處理方式難以控制變形,因此采用在200℃保溫12h、空冷的時效處理方式,消除加工殘餘應力,減少工件變形。
(3)使用合理的工藝參數 高速切削過程中,為減小切削力,減小工件變形,盡量使用小的軸向切削深度,可以選擇較大的徑向切削深度,甚至可以大于刀具的半徑。徑向切削深度大于刀具半徑時,随着切削用量增加,加工效率提高,而切削力最大值卻保持在一個穩定值。切削速度的變化并不會影響薄壁件的幾何結構尺寸,在主軸轉速允許的前提下,可以盡量選擇大的切削速度。
(4)其他因素的控制 薄壁件變形不僅受切削工藝參數的影響,還受走刀路徑、機械振動和冷卻方式等綜合因素的影響。在走刀路徑上,應以盡量減少工件最小剛度部位上的作用力為原則,可以采用對稱加工或階梯式加工的路徑;在切削液方面,應加強加工中心的日常檢查,查看冷卻循環系統是否正常工作,切削液使用是否得當,參數設置是否合理。從而降低工件加工變形,保護刀具,延長刀具的使用壽命。
薄壁件的加工是公認的難題,且薄壁件有向極薄化方向發展的趨勢,加工過程中主要是防止薄壁件發生變形而影響加工精度。通過制定合理的加工工藝路線,改善裝夾夾具,選擇科學的走刀路徑及工藝參數,可以有效地降低薄壁件的變形,保證工件加工精度,提升加工效率。
,更多精彩资讯请关注tft每日頭條,我们将持续为您更新最新资讯!