冷熱加工技術(shù)在鋁合金薄壁零件中的應(yīng)用
通過(guò)分析工藝系統(tǒng)動(dòng)、靜誤差及工件安裝誤差，提出了一種鋁合金薄壁零件冷熱加工方案。該方案通過(guò)合理選用刀夾具、切削用量、冷卻液及多次走刀、穩(wěn)定化時(shí)效處理，有效地控制了鋁合金薄壁零件的加工變形，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
鋁合金的比強(qiáng)度(σb/γ)較高，為18～21，因而在航空產(chǎn)品中得到廣泛地應(yīng)用。薄壁零件是航空產(chǎn)品中較常見(jiàn)的一類零件，其結(jié)構(gòu)通常較復(fù)雜，精度要求高。因此，研究鋁合金薄壁零件加工技術(shù)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。
襯套是航空產(chǎn)品某重點(diǎn)型號(hào)關(guān)鍵部件中的一個(gè)軸類零件。該零件直徑較大，壁薄而密封環(huán)形槽多，形位公差要求高，材料為L(zhǎng)C4-CS。該零件的加工曾嘗試過(guò)3種方案。第1種方案：先粗加工外圓、內(nèi)孔，再上專用車夾精加工內(nèi)孔、內(nèi)環(huán)槽，最后上專用車夾精加工外圓、外環(huán)槽，外圓83.2f8與內(nèi)孔78H8同軸度只能達(dá)到0.04mm～0.05mm。第2種方案：先粗加工外圓、內(nèi)孔，再半精加工內(nèi)孔、內(nèi)環(huán)槽、外圓、外環(huán)槽，最后自制車夾精加工內(nèi)孔、內(nèi)環(huán)槽、外圓、外環(huán)槽，外圓83.2f8與內(nèi)孔78H8同軸度只能達(dá)到0.03mm～0.04mm。從試加工情況來(lái)看，上道工序的變形影響下道工序的加工基準(zhǔn)，從而影響最終的加工精度。第3種方案：為了減少工序間變形，在第2種方案的基礎(chǔ)上采用工序間“開水煮”的土辦法處理，效果不太明顯，外圓83.2f8與內(nèi)孔78H8同軸度只能達(dá)到0.02mm～0.04mm，仍不能滿足設(shè)計(jì)圖紙中同軸度?0.02mm的要求。
與國(guó)內(nèi)一些大專院校及專業(yè)廠家進(jìn)行了技術(shù)交流，始終未找到有實(shí)效的加工方法，該零件的加工逐漸成為整臺(tái)產(chǎn)品生產(chǎn)的“瓶頸”。
1、零件工藝分析
該零件為鋁合金較大直徑軸類薄壁零件，外圓、內(nèi)孔精度為IT8級(jí)，3處密封環(huán)形槽精度接近IT8級(jí)，其徑向圓跳動(dòng)度為0.05mm，外圓與內(nèi)孔同軸度為0.02mm，外圓尺寸83.2f8(-0.036-0.090)，壁厚不均勻，最大壁厚2.6mm，最小壁厚1.1mm。為了批量加工出高精度合格工件，必須全面透徹地分析整個(gè)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差，并針對(duì)這些誤差采取切實(shí)有效的措施。
該零件的加工精度取決于由機(jī)床、夾具、刀具和工件構(gòu)成的工藝系統(tǒng)。
工藝系統(tǒng)靜誤差中，機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差和傳動(dòng)誤差對(duì)加工誤差影響較大。精密C6150A車床精車外圓的圓度為0.01mm,圓柱度為0.01mm/100mm，可以選用。該零件所用車刀的制造精度對(duì)加工精度無(wú)直接影響，但刀具幾何參數(shù)和形狀影響刀具的磨損及耐用度，間接影響加工精度。該零件因刀具本身及磨損所引起的加工誤差較小，根據(jù)工件材料及加工要求，可通過(guò)正確選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量、冷卻潤(rùn)滑、準(zhǔn)確刃磨等方法來(lái)控制。
夾具誤差(包括定位元件、夾具體等零件的制造誤差)、夾具的制造誤差、在機(jī)床上的安裝誤差以及工件在夾具上的安裝誤差都會(huì)影響零件的加工精度?？刹捎?ldquo;就地加工”的方法在機(jī)床上加工定位夾具，盡力減少夾具制造誤差、安裝誤差和零件安裝誤差。
在機(jī)械加工過(guò)程中，由于切削力、夾緊力、重力、慣性力、傳動(dòng)力等的作用，會(huì)引起工藝系統(tǒng)的變形;同時(shí)，由于切削力受力點(diǎn)位置變化、毛坯加工余量變化和材料硬度變化，會(huì)引起工藝系統(tǒng)變形的變化。工藝系統(tǒng)的變形及其變形的變化都會(huì)產(chǎn)生工件的尺寸誤差和幾何形狀誤差。由切削原理可知，徑向切削分力Fy和切削深度t成正比，即Fy=Ct，由此引起的工藝系統(tǒng)受力變形為y1=Ct1/K系統(tǒng)，y2=Ct2/K系統(tǒng)，其中K?系統(tǒng)?為工藝系統(tǒng)在y方向的剛度：
Δ工件= y1- y2=C(t1- t2)/K系統(tǒng)，
由于Δ毛坯=t1- t2，所以Δ?工件?=CΔ?毛坯?/K?系統(tǒng)?，令ε=C/K系統(tǒng)，
則有Δ工件=εΔ毛坯，
該式表明了加工誤差與毛坯誤差之間的比例關(guān)系，說(shuō)明了誤差復(fù)映規(guī)律，其中ε為誤差復(fù)映系數(shù)。當(dāng)加工過(guò)程分成幾次走刀進(jìn)行時(shí)，每次走刀的復(fù)映系數(shù)為ε1、ε2、ε3……，總的復(fù)映系數(shù)ε總=ε1ε2ε3……。由于復(fù)映系數(shù)ε總小于1，經(jīng)過(guò)幾次走刀后，ε可以降到很小的數(shù)值。通過(guò)合理選用切削用量和刀具幾何參數(shù)，可盡量減小切削力及切削力的變化所引起的變形。為盡力減少誤差復(fù)映規(guī)律所造成的變形，應(yīng)合理分配加工余量，分多工序多次走刀加工，把該形式的變形控制到最小。
工藝系統(tǒng)動(dòng)誤差中的受熱變形主要由切削熱、摩擦熱和輻射熱等引起，當(dāng)工藝系統(tǒng)在各種熱源的作用下，機(jī)床、刀具、工件各部分產(chǎn)生的溫度場(chǎng)開始時(shí)總處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在開始后的一段時(shí)間里，溫度不斷上升，溫度場(chǎng)不斷變化，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，溫度才接近一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)的溫度場(chǎng)就是一種穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。與升溫階段一樣，機(jī)床停車?yán)鋮s過(guò)程的溫度場(chǎng)也是一種不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。為了減少機(jī)床熱變形的影響，可使機(jī)床空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，?本達(dá)到熱平衡后再加工零件。為了減少工件和刀具的熱變形，應(yīng)合理選擇刀具的幾何參數(shù)，合理選用冷卻液充分冷卻。
工件內(nèi)應(yīng)力是由于內(nèi)部宏觀的或微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的，外界因素主要來(lái)自熱加工和冷加工。具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，其內(nèi)部組織有強(qiáng)烈的傾向要恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力的狀態(tài)，即使在常溫下，零件也在不斷地進(jìn)行這種變化，直到內(nèi)應(yīng)力消失為止。在這個(gè)過(guò)程中，零件的形狀逐漸變化。具有內(nèi)應(yīng)力的毛坯由于內(nèi)應(yīng)力暫時(shí)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，在短期內(nèi)還看不出有什么變動(dòng)，但在切削去除某些表面部分以后，就打破了這種平衡，內(nèi)應(yīng)力重新分布，零件就明顯地出現(xiàn)了變形。由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的G90×8管料毛坯，實(shí)際選用?90mm棒料毛坯加工，加工余量大，加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也大，變形也非常明顯。為了減少加工表面層的殘留應(yīng)力，應(yīng)盡力減小工件塑性變形，合理選用刀具、切削用量和冷卻液。為了盡快消除工件內(nèi)應(yīng)力(自然時(shí)效需要1個(gè)月以上的時(shí)間)，縮短工序間消除內(nèi)應(yīng)力的時(shí)間，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定化時(shí)效處理。
2、加工工藝
根據(jù)零件工藝分析情況，將控制零件加工變形的各項(xiàng)措施逐一落實(shí)到工藝規(guī)程和實(shí)際操作中。
2.1 粗加工和半精加工
粗加工由90mm棒料毛坯開始，各加工面均留約1mm加工余量(各環(huán)形槽暫不加工)。為盡力減少誤差復(fù)映規(guī)律所造成的變形，按零件最終形狀尺寸，各面均留0.1mm左右余量進(jìn)行4次半精加工(包括各環(huán)形槽)，每個(gè)半精加工工序均嚴(yán)格控制變形和形位尺寸，第4次半精加工時(shí)尺寸78H8，83.2f8分別加工至77.8和83.4，其同軸度控制在小于0.05mm范圍內(nèi)。
2.2 穩(wěn)定化時(shí)效處理
為及時(shí)消除工件加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，每道加工工序后均進(jìn)行穩(wěn)定化時(shí)效處理，以減小上道工序工件變形對(duì)下道工序的不利影響。穩(wěn)定化時(shí)效處理既要消除工件的內(nèi)應(yīng)力，又不能影響工件強(qiáng)度。經(jīng)多次試驗(yàn)摸索，最終確定穩(wěn)定化時(shí)效溫度為95℃～105℃，保溫時(shí)間240～360min，空冷。由于LC4人工時(shí)效最低溫度為115℃，因而穩(wěn)定化時(shí)效處理不會(huì)影響零件強(qiáng)度。實(shí)踐證明，穩(wěn)定化時(shí)效處理消除工件加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力效果非常明顯。
2.3 關(guān)鍵工序的加工
加工內(nèi)孔及內(nèi)環(huán)槽時(shí)，在精密C6150A車床上加工定位夾具，嚴(yán)格控制其形位公差，不卸夾具，用較小的力量壓緊另一端面，1次裝夾加工內(nèi)孔及3個(gè)內(nèi)環(huán)槽。
加工外圓及外環(huán)槽時(shí)，在精密C6150A車床上加工芯軸，不卸芯軸，以內(nèi)孔及端面定位，用較小的力量壓緊另一端面，1次裝夾加工外圓及外環(huán)槽。
加工用的內(nèi)孔鏜刀、外圓車刀和內(nèi)外環(huán)槽刀的參數(shù)以及切削用量見(jiàn)表1。刀具材料為W18Cr4V，切削液選用航空煤油。
3、實(shí)施效果
鋁合金薄壁零件的加工變形控制一直是難以解決的技術(shù)關(guān)鍵。該零件此前曾采取3種方案試加工，均告失敗，無(wú)1件合格。采用本方案后滿足了設(shè)計(jì)要求，而且質(zhì)量穩(wěn)定，批產(chǎn)合格率達(dá)到95%，效果很好。
冷熱加工技術(shù)在鋁合金薄壁零件中的成功應(yīng)用給了我們啟示：精密加工中影響零件精度的因素很多，應(yīng)從多方面綜合考慮，盡量將諸多因素的影響縮減到最低限度，以保證零件的高精度。
