CN102430763A - 一种高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于特殊材料的精密元器件加工技术，涉及一种高纯铝材料精密元件的加工方法。本发明将一种高纯铝薄壁零件通过螺套背帽，并加以防震改进后，装夹于数控机床主轴上，达到以一端面准确定位，同时改善径向受力目的；通过前期研究获得切削高纯铝材料合理的刀具结构参数，对之前的刀具进行改制；再通过合理的对刀方法，使刀具中心点与工件中心达到极其精密的吻合；然后进行数控车削加工。与以往加工方法相比，本发明高纯铝类精密零件的加工方法改变了以往此零件无法达到高表面质量的状况，克服了加工中的变形、震颤、波纹和积屑瘤等问题，使零件内球面达到镜状光泽面级别，满足光反射要求，而且加工质量稳定，效率高。

Description

一种高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法

技术领域

本发明涉及一种精密加工方法，尤其是一种高纯铝材料薄壁零件内球面的精密加工方法。 

背景技术

高纯铝具有密度小，热导率与电导率高，对光的反射率也高；其表面有一层很薄的致密的氧化膜，铝越纯这层氧化膜(Al₂O₃膜)也越纯，对大气有很强的抗腐蚀性能，其保护性能也越强；没有低温脆性，其强度与塑性均随着温度的下降而升高等优异的性能。成为此类功能元件首选材料之一。反光器件一般要求反射光路按一定的规律传导，在特定的几何外形上其表面光洁程度越高，反射光路一致性越好，光性能越理想。而较差的表面质量会降低成像分辨率，其散射将造成很大的能量损失，同时在光路中带入大量杂光，从而使整个系统的性能指标大大降低，严重时根本无法成像。加工中要最大程度地降低表面粗糙度，并消除或减少次表面破坏层，以形成良好的光学表面。最理想是达到镜状光泽面(Ra0.04以内)或镜面(Ra0.01)。 

然而，镜面加工通常要求材料有较好的切削性能和一定的硬度，对使用的切削工具有较高的要求。主要针对光学玻璃，碳化硅，不锈钢等硬材料器件的加工，通常由超精磨/抛、镜面磨削实现。对于软金属其弹性小，塑性高，加工易变形，粘刀，起刺等特点制约着其表面质量的提高；加工中热变形大，热烧伤，热应力；加工中振动、颤刀对其成型影响都很大；并且精密加工方法中的磨削、抛光方法已不能应用，难以实现精密级的表面质量状况。虽然已有相关铝合金铣削加工平面镜面和金刚石刀具切削较硬合金的相关研究，但对于纯铝、铜类超软金属的镜面加工尚未见报道。应用常规方法批量化加工高纯度软金属零件，达到精密级(Ra0.04)的生产加工更是未见其例，是目前机加行业内普遍存在的难题。 

某高纯铝零件采用粗加工后，由于零件材料很软，一端内外皆呈球面且壁薄，不但装夹困难，且径向装夹易产生夹紧变形。同时，零件内球面作为光传导面，要求达到极高的表面光洁度，之前采用多种装夹方式与加工方法都未达到要求，采用相关人员优化设计的宝石刀也未见效果，都出现变形，振颤波纹，表面不均匀和不光亮的现象。 

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有技术高纯铝薄壁零件加工困难、内球面高表面质量难以达到要求的问题，本发明提出一种在数控车削加工中，能够有效定位、安装薄壁软材料零件，防止其在加工中出现变形、振颤、切屑划伤、积屑瘤等现象，且加工方便、能满足内表面高质量要求的加工方法。 

本发明的技术解决方案是：一种高纯铝类精密零件的加工方法，其包括如下步骤： 

步骤1：粗车形状 

在一般数控车床上，将棒料一端装入开口胎中，轻夹于机床主轴上，车外径到到设计尺寸，要求公差在0～-0.05mm之间。车内腔留0.5mm余量； 

步骤2：机床预热 

启动HARDINGE CONOUEST T42一般精密数控车床，对机床进行足够的预热准备，使机床至稳定状态，并保证运转良好； 

步骤3：对刀与中心偏差补偿 

预热完成后，装夹一段铝合金试件，用预先改制的刀具平试件端面，然后测量刀具路径与主轴/工件回转中心偏差，将此偏差值输入机床进行补偿，使刀尖与零件回转中心达到较高的重合度； 

步骤4：配制螺套和螺帽，装夹零件 

配制螺套，使零件外径与螺套内孔留有少量的配合间隙，螺套内垫入少许弹性物质，左端与螺套紧贴，配制螺帽压紧零件右端面，与螺套旋合，一起装夹于主轴上； 

步骤5：启动程序，空挡提速 

在程序中预先设定进入切削前的起刀、驻刀点及合适的停留时间； 

步骤6：车削半精加工 

进给量：0.005mm/r，切削速度：100m/min，留0.05mm余量进行精加工； 

步骤7：车削精加工 

第一次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.02mm/r 

            背吃刀量：0.02mm 

第二次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.01mm/r 

            背吃刀量：0.01mm 

第三次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.005mm/r 

            背吃刀量：0.01mm 

步骤8：拆卸零件 

拧开螺帽与螺套，并使零件立于螺帽中，取走螺套，再将零件轻放入清洗容器中； 

步骤9：清洗与保存 

用煤油清洗零件，将清洗后的零件另放入高纯度的航空煤油中，防止氧化及表面粘附灰尘等脏物。 

进一步地，所述改制刀具为宝石刀具，改制后的主要结构参数为：后角：5°，前角：-3′15″，刀体高度≤1mm。 

进一步地，所述改制刀具的刀尖露出刀柄长度在35～40mm之间，刀杆直径φ8mm。 

进一步地，所述刀尖与零件回转中心偏差要求控制在0.01mm以内。 

进一步地，所述高纯铝零件外径与螺套内孔配合间隙不大于0.02，螺套内腔深度大于零件长度4～5mm。 

进一步地，所述螺帽压紧零件，要求边缘重合率部分超过80％。 

进一步地，所述垫入螺套内的弹性物质为棉花。 

进一步地，所述高纯铝零件预加工点位于零件加工一端5mm距离处，在此停留时间为10s。 

进一步地，所述高纯铝零件半精加工后，要求内表面Ra＜0.8。 

更进一步地，上述步骤5、6中高纯铝零件加工时要采用煤油冷却。 

本发明的有益效果是：本发明利用改制的宝石刀具，对零件进行挤压切削，采用合理的加工方法和工艺参数控制挤压过程中积屑瘤的产生；采用合理的装夹与减振方式，改善了零件的变形与振动情况；通过精确的对刀方法，保证了内球面的高精度成型，实现了一体加工，克服了高纯铝类超软材料加工中出现的变形、震颤波纹、积屑瘤划伤、表面不完整等问题。同时实现了零件的整体加工，大幅提高了加工效 率。另外，零件内球面粗糙度达到Ra0.04，满足了设计与使用要求，且具有很好的一致性，使产品在本工序中合格率达到100％。 

附图说明

图1为一种高纯铝精密零件内球面精密加工的流程图； 

图2(a)为本发明高纯铝类精密零件的加工方法一较佳实施方式中的某高纯铝零件的俯视图；图2(b)为图2(a)的A-A剖视图 

图3是某高纯铝零件螺套背帽固定的组合结构示意图； 

图4是图3的B-B剖视图； 

其中，1：螺帽、2：螺套、3：高纯铝零件、4：棉花。 

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明： 

请参阅图2，其中，图2(a)是本发明高纯铝类精密零件的加工方法一较佳实施方式中的高纯铝零件3的俯视图，图2(b)是图2(a)的剖视图。本实施方式中，所述高纯铝零件3为薄壁件，一端呈球形，尺寸较小，长度为22mm，内球面直径φ20mm，外球面直径φ23.2mm，壁厚1.6mm，孔口外沿厚1.2mm，宽3.4mm，高纯铝零件3要求的孔口内腔直壁面和外沿底部环形端面之间的垂直度要求为0.01mm，内表面光洁度设计要求Ra0.05。为达到较好的光反射效果，表面光洁度最好达到镜状光泽面Ra0.04，理想状态应达到镜面Ra0.01。 

通过分析材料性质和零件结构，本实施方式中，所述高纯铝零件3的加工方法的步骤如下： 

步骤1：粗车形状 

本高纯铝零件3采用一般数控车床加工零件外形与粗加工内腔，考虑高纯铝零件3尺寸和材料特性，采用开口胎装夹毛坯棒料，车外径到尺寸公差23.20-0.05，车内腔到尺寸19mm，单边留0.5mm余量； 

步骤2：机床预热 

本零件采用HARDINGE CONOUEST T42精密数控车床完成最终加工，首先启动该机床，进行预热，要求预热时间大于30分钟，保证运转良好； 

步骤3：对刀与中心偏差补偿 

装夹一段铝合金试件φ30mm左右，露出40mm，将预先改制的刀具装入机床刀 轴，刀具露出长度35～40mm。调用刀具平试件端面，然后测量刀具路径与工件回转中心偏差，将此偏差值输入机床进行补偿，使刀尖与零件回转中心重合在0.01mm以内； 

步骤4：配制螺套和螺帽，装夹零件 

配制螺套2，使高纯铝零件3外径与螺套2内孔配合间隙不大于0.02mm，高纯铝零件3深入螺套2内腔一端的总长，要比螺套2内腔深度小4～5mm，螺套2内垫入少许棉花，高纯铝零件3开口端与螺套2紧贴，配备螺帽1压紧高纯铝零件3球端，一起装夹于主轴上。请参阅图3和图4，其中，图3是高纯铝零件3固定的组合结构示意图，图4是图3的剖视图，图中，螺帽2与螺套1旋紧，将零件3开口端的一侧压紧于螺套2端面，球端与螺套1紧密配合，且高纯铝零件3球端压紧于螺套1内的棉花4中，螺帽1的旋紧力不易过大； 

步骤5：启动程序，空挡提速 

在程序中预先设定进入精车切削前程序的驻刀点，使其与高纯铝零件3待加工一端相距5mm，设定在驻刀点的停留时间为10s；然后启动程序，在刀具通过驻刀点并停留后，保证了切削时机床主轴转速提升过程已完成，并且机床无振动； 

步骤6：车削半精加工 

去除内腔部分余量，留0.05mm余量进行精加工，保证粗糙度Ra＜0.8，采用的加工参数为：进给量：0.005mm/r，切削速度：100m/min； 

步骤7：车削精加工 

根据高纯铝零件材料特性及刀具参数特点，改变以往恒线速度引起的持续提速振动，采用恒转速切削方式，并结合调整后的进刀方式和加工参数对零件进行精加工，本实施方式中按如下的加工参数进行高纯铝零件的精车加工： 

第一次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.02mm/r 

            背吃刀量：0.02mm 

第二次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.01mm/r 

            背吃刀量：0.01mm 

第三次走刀：转速：3000～3200n/min 

            进给量：0.005mm/r 

            背吃刀量：0.01mm 

具体的精加工动作如下： 

①启动程序，主轴旋转； 

②刀具快速移动到工件驻刀点； 

③停留10s； 

④以G1的速度靠近工件端面，并进行切削第一刀，同时开启煤油冷却，减少积屑瘤的产生； 

⑤退刀：采用G0，清理切屑； 

⑥依此走第二刀、第三刀； 

步骤8：拆卸零件 

用手轻拧开零件，使螺套、背帽连同零件一起处于竖直状态后，分开螺套，将螺帽中的零件，用手轻捧放入清洗盒中； 

步骤9：清洗与保存 

用煤油清洗零件，将清洗后的零件另放入高纯度的航空煤油中，防止氧化及表面粘附灰尘等脏物。 

本发明利用改制的刀具对某高纯铝类薄壁超软零件进行挤压切削，并考虑到软材料挤压切削易产生积屑瘤的特点，进行适当的改进，使所加工的内球面表面粗糙度达到Ra≤0.04，从而实现了内球面镜状光泽面的加工。与以往加工方法相比，用可靠快捷的方法改变了以往此高纯铝零件装夹变形，定位困难的状况，改变了以往加工中经常出现的振动、积屑瘤和刀轨偏移和划伤、表面质量不均匀的现象，能够有效定位、安装零件，防止其在加工中出现装夹、加工变形、波纹和划伤等现象，满足了产品生产研制的需求。 

另外，本发明对刀具进行的结构改进以及零件车削加工参数根据实际需要所作的调整如不超出本发明构思，且是本发明权利要求所描述的内容，则仍属于本专利的保护范围。 

Claims (10)

1.一种高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：粗车形状

在一般数控车床上，将棒料一端装入开口胎中，轻夹于机床主轴上，车外径到到设计尺寸，要求公差在0～-0.05mm之间。车内腔留0.5mm余量；

步骤2：机床预热

启动HARDINGE CONOUEST T42一般精密数控车床，对机床进行足够的预热准备，使机床至稳定状态，并保证运转良好；

步骤3：对刀与中心偏差补偿

预热完成后，装夹一段铝合金试件，用预先改制的刀具平试件端面，然后测量刀具路径与主轴/工件回转中心偏差，将此偏差值输入机床进行补偿，使刀尖与零件回转中心达到较高的重合度；

步骤4：配制螺套和螺帽，装夹零件

配制螺套，使零件外径与螺套内孔留有少量的配合间隙，螺套内垫入少许弹性物质，左端与螺套紧贴，配制螺帽压紧零件右端面，与螺套旋合，一起装夹于主轴上；

步骤5：启动程序，空挡提速

在程序中预先设定进入切削前的起刀、驻刀点及合适的停留时间；

步骤6：车削半精加工

进给量：0.005mm/r，切削速度：100m/min，留0.05mm余量进行精加工；

步骤7：车削精加工

第一次走刀：转速：3000～3200n/min

进给量：0.02mm/r

背吃刀量：0.02mm

第二次走刀：转速：3000～3200n/min

进给量：0.01mm/r

背吃刀量：0.01mm

第三次走刀：转速：3000～3200n/min

进给量：0.005mm/r

背吃刀量：0.01mm

步骤8：拆卸零件

拧开螺帽与螺套，并使零件立于螺帽中，取走螺套，再将零件轻放入清洗容器中；

步骤9：清洗与保存

用煤油清洗零件，将清洗后的零件另放入高纯度的航空煤油。

2.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：改制刀具主要结构参数为：后角：5°，前角：-3′15″，刀体高度≤1mm。

3.根据权利要求2所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：改制刀具的刀尖露出刀柄长度在35～40mm之间，刀杆直径φ8mmm。

4.根据权利要求3所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：刀尖与零件回转中心偏差要求控制在0.01mm以内。

5.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：高纯铝零件外径与螺套内孔配合间隙不大于0.02，螺套内腔深度大于零件长度4～5mm。

6.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：螺帽压紧零件，要求边缘重合率部分超过80％。

7.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：弹性物质为棉花。

8.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：高纯铝类零件预加工点位于零件加工一端5mm距离处，在此停留时间为10s。

9.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：高纯铝类零件半精加工后，要求内表面Ra＜0.8。

10.根据权利要求1所述的高纯铝类薄壁零件内球面的精密加工方法，其特征在于：步骤5、6中高纯铝类零件加工时要采用煤油冷却。

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