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有效控製薄壁鋁合金（jīn）細長軸加工（gōng）變形的方法分析

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

摘（zhāi）要: 針對薄壁鋁合金（jīn）細（xì）長軸零件在加工過（guò）程中容易發生變形的特點，闡述了引起加工變（biàn）形的原因，並通過改變相應加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以及表麵粗糙（cāo）度要求，關鍵步驟（zhòu）選（xuǎn）用雙頂尖裝（zhuāng）夾以及增加輔助虎鉗頂夾的（de）加（jiā）工工藝，在生產實（shí）踐中具有指導（dǎo）意義（yì）。

關鍵詞: 細長軸; 薄壁; 鋁合金; 加工變形

1、引（yǐn）言

根據生（shēng）產要求，需（xū）將毛坯直徑 30mm、長度360mm 的 LY12CZ 鋁合金（jīn）加工成圖 1 所示的細長軸類零件。要求細長軸兩端外圓（yuán）與其中心（xīn）軸線的同軸度要求為 0． 05mm，中間兩個凹槽底麵（miàn）與其軸線的垂直度要求為 0． 05mm，兩端（duān）外圓尺寸精度為25. 40－ 0． 1，整個工件（jiàn）的形狀位置公差（chà）與尺寸公差要求都很高。

圖1 零件主俯視圖

圖 2 為零件 D 向視圖。由圖可知（zhī），零件中（zhōng）間部分加工完成後的厚度僅剩 1． 5mm，在加工中極易出現加工振（zhèn）動變（biàn）形，影響加工質量，嚴重時會使（shǐ）工件報（bào）廢，因此，在（zài）加工過程中如何防止加工變形是首要要考慮的（de）問題。

圖2 零（líng）件 D 向視圖

2、改（gǎi）進工藝流程

2. 1 原有加工工藝分析

原（yuán）有加工工藝流程: 粗、精車外圓→粗、精銑細長軸（zhóu）各個加工部（bù）位→鑽端麵孔→攻（gōng）端麵 M5 螺紋。按照該加工工藝加工完畢後，發（fā）現工件（jiàn）發生嚴重彎曲變形，變（biàn）形量達到 3 － 5mm，變形部位發生在工（gōng）件的中心位置，向銑完一端的凹槽方（fāng）向彎曲，與原圖（tú）形（xíng）位公差要求嚴重不符（fú），工件報廢。

通過分析發現，造成加（jiā）工彎曲變形的主要原因是粗車加（jiā）工完成後直接精車，此時（shí）工件的加（jiā）工變（biàn）形不（bú）明顯，繼而進（jìn）行粗銑與精銑的（de）加工，由於粗銑加工完一端凹槽旋轉 180°加工第二個凹槽時，工件中部凹槽的部分由於單方向受（shòu）力不均勻，工件必然會（huì）向強度薄弱的一方( 已加工完方向) 彎（wān）曲（qǔ）變（biàn）形，造成工（gōng）件報廢，出現該現象也與刀具角度、裝夾方式、鋁合金特性、冷（lěng）卻是否充足（zú）等因素有（yǒu）關。

2. 2 改進（jìn）的加工工藝

為了有效控製加工變形（xíng），保證工（gōng）件的尺寸公差與形（xíng）狀位置公差，需要改進加工工藝。改進的加工（gōng）工藝如下:

①粗車: 兩端打中心孔，通過一夾（jiá）一頂的（de）方（fāng）法車端麵，外圓車至 27． 3 ± 0． 1、長度 351． 5mm，需要注意的是兩端中心孔( 頂尖（jiān）孔) 要小;

②粗銑: 在加工中心上通過分度頭一夾一（yī）頂的方（fāng）法（fǎ）銑兩側（cè） 295 × 20． 6 兩槽，各槽單邊（biān）為精銑加工（gōng）留 0． 3mm 餘量。注意旋轉 180°加（jiā）工第二個凹槽時（shí）工件中部要增（zēng）加輔助虎鉗頂夾的裝（zhuāng）夾工藝，以保證（zhèng）工件的形狀與（yǔ）位置公差要求;

③時效處理: 精車加（jiā）工前，把工件重新加熱（rè）到180 ± 5℃ ，保（bǎo）溫 4 小（xiǎo）時，然（rán）後隨爐冷卻，使得經過時效處理（lǐ）後強度與硬度顯著（zhe）提高，而塑性則（zé）有所下降，提高切（qiē）削加工性能，為下一步精加工（gōng）工序時（shí）保證加工尺寸（cùn）精（jīng）度與形位公差打下良好基礎。

④精車: 為使（shǐ）工件在靜止狀態下也能保證形位公差，采用雙頂尖方（fāng）式裝夾工（gōng）件（jiàn），精車外圓尺寸270－ 0． 1到尺寸，精車兩端（duān）麵，保證兩端麵相對於軸線（xiàn）的垂直度要求（qiú）控製在（zài） 0． 05mm 以內，右端保留中心孔，M5 暫不（bú）加工，通過開（kāi）口套裝（zhuāng）夾工件外圓，找（zhǎo）正工件外圓鑽 M5 底孔，倒角 1 × 45°。

⑤精（jīng）銑: 在加工（gōng）中心上通過分度頭一夾一頂的方法銑 295 × 20． 6 兩槽到尺（chǐ）寸，注意控製兩個凹槽底麵與其軸線的垂直度要求為 0． 05mm; 同時為了避免在加工第二個凹槽時向第一（yī）個凹槽方向的加工（gōng）變形，中間采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寸與形位工差要（yào）求。

3 、加工工藝關鍵步驟

( 1) 雙頂尖裝（zhuāng）夾精車細長軸外圓

由於原（yuán）有（yǒu）加（jiā）工（gōng）工藝難以保證工件尺寸與形位公差要求，所（suǒ）以需要改變加工工藝，將精（jīng）車（chē）工序放置在粗銑（xǐ）加（jiā）工工序（xù）後，將粗銑加工完（wán）後的變形（xíng）在精車工序內消除（chú）。另外，在精車加工前（qián）增加了熱（rè）處理加工工藝，就會（huì）將粗車、粗銑加工造成的加工彎曲（qǔ）變形在時效熱處理階段進行消除，釋放內（nèi）應力，工件內（nèi）部組織強化，強度與硬（yìng）度顯著提高，為精車、精銑打下良好（hǎo）基礎。區別（bié）於粗車時一夾一頂的（de）裝夾（jiá）加工工藝（yì），在精車時采用了雙頂尖裝夾的加工工藝。零（líng）件在粗車、粗銑後（hòu）由於受力變形會（huì）造成工件在靜（jìng）止（zhǐ）狀（zhuàng）態下有一個較大的彎曲，所以在（zài）精車（chē）階段的主要（yào）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。采用雙頂尖裝夾工件時，車床頂尖（jiān）是（shì）一個與車床主軸同心的圓錐，分（fèn）為前頂心和後頂心。後頂心裝在（zài）車床尾部，使用時將其頂在被加工件的旋轉軸心上（shàng），起到穩定工件旋轉軸心（xīn）的作用，前頂（dǐng）心裝在車床（chuáng）主軸上或用三爪自定心卡盤夾持，使用（yòng）時將其頂在被加工件的旋轉軸心上，起到帶動工件旋轉和穩定工（gōng）件旋轉軸心的作用。

使用雙頂尖（jiān）加（jiā）工時，由於頂（dǐng）心和工件的接觸麵小，傳動力矩短（duǎn），所以（yǐ）不（bú）太適合用於直徑較大的工件或進刀量大的（de）場合，但由於頂心夾（jiá）持時具有自動（dòng）對準工件旋（xuán）轉軸心的作用，所以適用（yòng）於需要多次重複（fù）裝卸的加（jiā）工工件。

刀（dāo）具角度的選擇也很關鍵，實踐（jiàn）證（zhèng）明，合理（lǐ）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 λs= 15°－ 20°。此外，采用雙頂尖裝夾，頂尖不（bú）能頂得太（tài）緊（jǐn）或（huò）太鬆，車削過程中需隨時注意並及時調整。車削加工（gōng）前，床鞍應左右移動全行程，觀察有（yǒu）無碰撞現象。

( 2) 利用分度頭在（zài）加工中（zhōng）心上（shàng）進行精銑加工

精銑加工前要在加工中心上對分度頭進行找（zhǎo）正，確保分度頭在機床上自身的位置精度。分度頭（tóu）找正的步驟為（wéi）: ①分度頭的主軸（zhóu）軸向在數控銑床上確保與機床工作台 X 向平行，用杠杆百分（fèn）表檢驗驗棒根部的圓跳動，使之（zhī）在 0． 03mm 以內; ②檢驗驗棒端部圓跳（tiào）動，通過調整達到 0． 03mm 以內; ③檢（jiǎn）驗驗棒的上母線，通過切高點的方法，調整分度頭是否仰頭或俯頭（tóu），保證分度頭（tóu）的軸（zhóu）向與數控銑床 X 向平行; ④檢驗驗棒的側母線，確定分度頭與機床工作（zuò）台（tái）X 向平行。驗棒找正後，將細長軸零件（jiàn）裝夾在分（fèn）度頭上，通過一夾一（yī）頂的方式（shì）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（háng）反向精銑加（jiā）工

通過實例驗證，鋁合金薄（báo）壁細長軸在沒有夾具（jù）頂卡的情況下加工完第一麵（miàn）後（hòu）還勉強可以進行加工（gōng），旋轉 180°後加工（gōng）第二麵時由於工件受力（lì）變形，刀具與工件接觸處發出巨大的響聲及顫動，會出現銑刀崩刃（rèn）、工件撅起等嚴（yán）重後果，此時工件不能正常加工。因此需要改進加工工藝，采取措施為通過采（cǎi）用平口鉗裝夾薄壁細長軸（zhóu）零件的（de）中間部分( 見（jiàn）圖 3)增加對工件的夾持（chí）力，提高（gāo）細長軸自身剛（gāng）度，防止切削振動，保證工件（jiàn）的順利加工。

圖 3 平口鉗頂夾中（zhōng）間部位加工薄壁零件

采用平口鉗夾持細（xì）長（zhǎng）軸中間部位的裝夾工藝時需要注意（yì），采用壓表法將虎鉗的固（gù）定鉗口（kǒu）與細長軸輕輕貼合，通（tōng）過 0． 02mm 塞尺控製（zhì）好細長（zhǎng）軸與固定鉗口的縫隙，在裝夾過程中既要保證虎鉗裝夾不能過定（dìng）位，細長軸又能轉動自如，工件（jiàn）的（de）彎曲變形被控製在很小範圍內，有（yǒu）效保（bǎo）證了細長軸的（de）定位（wèi）精（jīng）度。

應注意在旋轉細長軸時，必須將細長軸（zhóu）與固定（dìng）虎（hǔ）鉗（qián）之間的切屑清除（chú）幹淨，防止工件外表夾屑或者切（qiē）屑劃傷（shāng）細長軸的外加工（gōng）表麵，影響細長軸表（biǎo）麵（miàn）粗糙度精度要求。最終加工完的零件見圖 4。

圖 4 薄壁細長軸零件加工效果

4 、結語

針對細長軸薄壁（bì）鋁合金零（líng）件難加工以及容易發生加工變形的特點，詳細闡述了具體加工工藝步驟以及選用合適的裝夾工藝來保（bǎo）證（zhèng）其（qí）尺寸與形狀位置公差以及表麵粗糙度要求，關鍵步驟采用雙頂尖裝夾與虎鉗頂夾的輔助裝夾加（jiā）工工藝，改變（biàn）了細長軸在銑削加工過程（chéng）中的（de）固有共（gòng）振頻率，解決了剛性差問題，大大提高了（le）細長軸的整體機械切削加工（gōng）性能，這種加工（gōng）方法在（zài）生產（chǎn）實踐（jiàn）中（zhōng）具有實踐（jiàn）指導意義（yì）。

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