冷热加工技术在铝合金薄壁零件中的应用

作者：乐成明 宋广华 李真楷 翟建华 王国耀

欢迎访问e展厅 展厅 2 车床/数控车床展厅 数控车床, 普通车床, 立式车床, 卧式车床, 车削中心, ... 摘要：通过分析工艺系统动、静误差及工件安装误差，提出了一种铝合金薄壁零件冷热加工方案。该方案通过合理选用刀夹具、切削用量、冷却液及多次走刀、稳定化时效处理，有效地控制了铝合金薄壁零件的加工变形，质量稳定可靠。 关键词：铝合金 薄壁零件 冷加工 热加工 加工变形 铝合金的比强度（σb/γ）较高，为18～21，因而在航空产品中得到广泛地应用。薄壁零件是航空产品中较常见的一类零件，其结构通常较复杂，精度要求高。因此，研究铝合金薄壁零件加工技术具有较大的现实意义。 衬套是航空产品某重点型号关键部件中的一个轴类零件。该零件直径较大，壁薄而密封环形槽多，形位公差要求高，材料为LC4-CS。该零件的加工曾尝试过3种方案。第1种方案：先粗加工外圆、内孔，再上专用车夹精加工内孔、内环槽，最后上专用车夹精加工外圆、外环槽，外圆83.2f8与内孔78H8同轴度只能达到0.04mm～0.05mm。第2种方案：先粗加工外圆、内孔，再半精加工内孔、内环槽、外圆、外环槽，最后自制车夹精加工内孔、内环槽、外圆、外环槽，外圆83.2f8与内孔78H8同轴度只能达到0.03mm～0.04mm。从试加工情况来看，上道工序的变形影响下道工序的加工基准，从而影响最终的加工精度。第3种方案：为了减少工序间变形，在第２种方案的基础上采用工序间“开水煮”的土办法处理，效果不太明显，外圆83.2f8与内孔78H8同轴度只能达到0.02mm～0.04mm，仍不能满足设计图纸中同轴度0.02mm的要求。 与国内一些大专院校及专业厂家进行了技术交流，始终未找到有实效的加工方法，该零件的加工逐渐成为整台产品生产的“瓶颈”。 1 零件工艺分析 该零件为铝合金较大直径轴类薄壁零件，外圆、内孔精度为IT8级，3处密封环形槽精度接近IT8级，其径向圆跳动度为0.05mm，外圆与内孔同轴度为0.02mm，外圆尺寸83.2f8（-0.036-0.090），壁厚不均匀，最大壁厚2.6mm，最小壁厚1.1mm。为了批量加工出高精度合格工件，必须全面透彻地分析整个加工过程中可能出现的误差，并针对这些误差采取切实有效的措施。 该零件的加工精度取决于由机床、夹具、刀具和工件构成的工艺系统。 工艺系统静误差中，机床的主轴回转误差、导轨误差和传动误差对加工误差影响较大。精密C6150A车床精车外圆的圆度为0.01mm, 圆柱度为0.01mm/100mm，可以选用。该零件所用车刀的制造精度对加工精度无直接影响，但刀具几何参数和形状影响刀具的磨损及耐用度，间接影响加工精度。该零件因刀具本身及磨损所引起的加工误差较小，根据工件材料及加工要求，可通过正确选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量、冷却润滑、准确刃磨等方法来控制。 夹具误差(包括定位元件、夹具体等零件的制造误差)、夹具的制造误差、在机床上的安装误差以及工件在夹具上的安装误差都会影响零件的加工精度。可采用“就地加工”的方法在机床上加工定位夹具，尽力减少夹具制造误差、安装误差和零件安装误差。 在机械加工过程中，由于切削力、夹紧力、重力、惯性力、传动力等的作用，会引起工艺系统的变形；同时，由于切削力受力点位置变化、毛坯加工余量变化和材料硬度变化，会引起工艺系统变形的变化。工艺系统的变形及其变形的变化都会产生工件的尺寸误差和几何形状误差。由切削原理可知，径向切削分力Fy和切削深度t成正比，即Fy=Ct，由此引起的工艺系统受力变形为y1=Ct1/K系统，y2=Ct2/K系统，其中K系统为工艺系统在y方向的刚度， Δ工件= y1- y2=C（t1- t2）/K系统， 由于Δ毛坯=t1- t2，所以Δ工件=CΔ毛坯/K系统，令ε=C/K系统，则有 Δ工件=εΔ毛坯， 该式表明了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，说明了误差复映规律，其中ε为误差复映系数。当加工过程分成几次走刀进行时，每次走刀的复映系数为ε1、ε2、ε3……，总的复映系数ε总=ε1ε2ε3……。由于复映系数ε总小于1，经过几次走刀后，ε可以降到很小的数值。通过合理选用切削用量和刀具几何参数，可尽量减小切削力及切削力的变化所引起的变形。为尽力减少误差复映规律所造成的变形，应合理分配加工余量，分多工序多次走刀加工，把该形式的变形控制到最小。 工艺系统动误差中的受热变形主要由切削热、摩擦热和辐射热等引起，当工艺系统在各种热源的作用下，机床、刀具、工件各部分产生的温度场开始时总处于不稳定状态，在开始后的一段时间里，温度不断上升，温度场不断变化，经过一定时间后，温度才接近一个稳定值，此时的温度场就是一种稳定的温度场。与升温阶段一样，机床停车冷却过程的温度场也是一种不稳定的温度场。为了减少机床热变形的影响，可使机床空转一段时间，基本达到热平衡后再加工零件。为了减少工件和刀具的热变形，应合理选择刀具的几何参数，合理选用冷却液充分冷却。 工件内应力是由于内部宏观的或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的，外界因素主要来自热加工和冷加工。具有内应力的零件处于一种不稳定的状态，其内部组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有内应力的状态，即使在常温下，零件也在不断地进行这种变化，直到内应力消失为止。在这个过程中，零件的形状逐渐变化。具有内应力的毛坯由于内应力暂时处于相对平衡状态，在短期内还看不出有什么变动，但在切削去除某些表面部分以后，就打破了这种平衡，内应力重新分布，零件就明显地出现了变形。由于国内没有对应的G90×8管料毛坯，实际选用90mm棒料毛坯加工，加工余量大，加工过程中产生的内应力也大，变形也非常明显。为了减少加工表面层的残留应力，应尽力减小工件塑性变形，合理选用刀具、切削用量和冷却液。为了尽快消除工件内应力（自然时效需要1个月以上的时间），缩短工序间消除内应力的时间，应及时进行稳定化时效处理。 2 加工工艺 根据零件工艺分析情况，将控制零件加工变形的各项措施逐一落实到工艺规程和实际操作中。 2.1 粗加工和半精加工 粗加工由90mm棒料毛坯开始，各加工面均留约1mm加工余量（各环形槽暂不加工）。为尽力减少误差复映规律所造成的变形，按零件最终形状尺寸，各面均留0.1mm左右余量进行4次半精加工（包括各环形槽），每个半精加工工序均严格控制变形和形位尺寸，第4次半精加工时尺寸78H8，83.2f8分别加工至77.8和83.4，其同轴度控制在小于0.05mm范围内。 2.2 稳定化时效处理 为及时消除工件加工过程中产生的内应力，每道加工工序后均进行稳定化时效处理，以减小上道工序工件变形对下道工序的不利影响。稳定化时效处理既要消除工件的内应力，又不能影响工件强度。经多次试验摸索，最终确定稳定化时效温度为95℃～105℃，保温时间240～360min，空冷。由于LC4人工时效最低温度为115℃，因而稳定化时效处理不会影响零件强度。实践证明，稳定化时效处理消除工件加工过程中产生的内应力效果非常明显。 2.3 关键工序的加工 加工内孔及内环槽时，在精密C6150A车床上加工定位夹具，严格控制其形位公差，不卸夹具，用较小的力量压紧另一端面，1次装夹加工内孔及3个内环槽。 加工外圆及外环槽时，在精密C6150A车床上加工芯轴，不卸芯轴，以内孔及端面定位，用较小的力量压紧另一端面，1次装夹加工外圆及外环槽。 加工用的内孔镗刀、外圆车刀和内外环槽刀的参数以及切削用量见表1。刀具材料为W18Cr4V，切削液选用航空煤油。 3 实施效果 铝合金薄壁零件的加工变形控制一直是难以解决的技术关键。该零件此前曾采取3种方案试加工，均告失败，无1件合格。采用本方案后满足了设计要求，而且质量稳定，批产合格率达到95％，效果很好。 冷热加工技术在铝合金薄壁零件中的成功应用给了我们启示：精密加工中影响零件精度的 因素很多，应从多方面综合考虑，尽量将诸多因素的影响缩减到最低限度，以保证零件的高精度。(end)

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