CN103949851A - 一种铝合金薄壁筒形件的加工方法 - Google Patents

一种铝合金薄壁筒形件的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金薄壁筒形件的加工方法，该方法包括下料→选择刀具→粗加工→外圆半精加工→时效处理→内孔半精加工→内孔精加工→外圆精加工等步骤。该方法采用专用夹具保证装夹精度，减小了装夹变形和消除了零件加工内应力。且本发明操作简单，工件不用留工艺夹头及去除工艺夹头工序，节省了材料和加工时间。同时，使用本发明加工出的铝合金薄壁筒形件质量稳定，加工成本低、效率高。此外还可避免产品直接受三点夹紧力作用而产生变形的影响、可减少旋转热应力变形和压伤、可减少刀具挠性变形、可减少产品原材料消耗、可提高工件的合格率及生产效率，并可降低加工成本。

Description

一种铝合金薄壁筒形件的加工方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种铝合金薄壁筒形件的加工方法。 
背景技术
需要加工如图1所示的铝合金薄壁筒形件时，产品材料为铝合金LY12-CZ，长度为L，外径为内径为同轴度为mm，圆柱度为表面粗糙度Ra值为1.6μm。此类零件除形状较为简单、形状公差和表面粗糙度较要求高外，其壁厚≤2mm，且零件长度L＞440mm，是典型的薄壁零件。因其壁薄且加工材料为铝合金，加工过程中容易产生变形，主要表现在内孔径向变形和轴向的产生锥度，质量不易保证。 
现有薄壁筒形件的加工工艺一般为:下料（要求留L长的工艺夹头）→车外圆→上中心架粗车内孔→上中心架半精车内孔→车去工艺夹头→精车内孔→上心棒车外圆。在加工过程中，由于切削力、切削热、残压应力、装夹力等因素的影响会产生加工变形，对零部件的加工精度和表面光洁度的影响很大，很容易造成报废，尤其是车内孔时，由于装夹不稳且铝合金材质较软，产品直接受三点夹紧力作用而产生变形，导致内孔加工有以下问题不能满足技术要求：内孔呈椭圆形，圆度误差＞0.14mm；内孔呈喇叭形，锥度误差＞0.21mm。由于内孔出现了较大的圆度误差或锥度误差，加工后会导致产品的壁厚不均匀，会产生大量的次品或废品，使得产品原材料消耗增大，成本升高；此外，还存在旋转热应力变形和压伤、刀具挠性变形等问题，使得产品合格率大幅降低。目前，主要是借助多次热处理来提高零件的强度，改善切削性能，并采用多次装夹修整来保证零件的尺寸精度，这些方式虽然可在一定程度上改善铝合金薄壁零件的加工变形，但是工艺复杂，加工成本高。 
发明内容
本发明旨在提供一种铝合金薄壁筒形件的加工方法，可避免产品直接受三点夹紧力作用而产生变形的影响；可减少旋转热应力变形和压伤；可减少刀具挠性变形；可减少产品原材料消耗；采用此加工艺方法可提高工件的合格率及生产效率，并可降低加工成本。 
本发明是通过如下技术方案予以实现的： 
一种铝合金薄壁筒形件的加工方法，该方法包括以下步骤： 
（A）下料：将铝合金管材下料成分段，确定切削位置； 
（B）选择刀具：选取各加工阶段需要的刀具，将其按顺序放入刀盘； 
（C）粗加工：用硬三爪卡盘夹住工件一端外圆，光端面、打中心孔，调头光另一端面确定长度L，打中心孔； 
（D）外圆半精加工：用硬三爪卡盘夹住粗加工后工件的外圆一端，采用第一刀具顶车外圆，调头夹另一端外圆，顶车外圆未加工部分，外圆接刀痕＜0.25mm，外圆留1.5mm余量； 
（E）时效处理：对外圆半精加工后的工件进行时效处理，消除工件残余应力； 
（F）内孔半精加工：将工件一端卡装入弹性夹套内，工件外圆中部缠上弹性橡皮，中心架与外圆接触部更换为尼龙定位轮，刀架前端加装第二刀具且后端加装与第二刀具重量相等的平衡杆，弹性夹套外部卡装三爪卡盘，再将夹头夹住三爪卡盘进行内孔半精加工并留余量0.8mm； 
（G）内孔精加工：将工件放入一圆柱形的定位装夹筒内并旋紧两端的轴向夹紧套，刀架前端加装第三刀具且后端加装与第三刀具重量相等的平衡杆，夹头夹住定位装夹筒，中心架支撑工件的另一端进行内孔精加工； 
（H）外圆精加工：上心棒装夹并选用第四刀具精车工件外圆。 
所述步骤（G）中所采用的定位装夹筒两端均设有工件轴向定位台阶，壁厚≤5mm，内孔与外圆同轴度≤0.025mm，轴向定位台阶与回转中心垂直度≤0.025mm，轴向夹紧套为细牙螺纹，内径比工件外 径大1mm，两端面平行度≤0.025mm。 
所述步骤（E）分为竖直负温时效和竖直正温时效，温度分别为-60℃和120～150℃，时间分别为15h和4h。 
所述步骤（G）中的第三刀具每次吃刀深度为0.1mm、走刀量为0.04mm/r、转速为650r/min。 
所述步骤（H）中第四刀具每次吃刀深度为0.12mm、走刀量为0.04mm/r、转速为505r/min。 
所述步骤（F）和步骤（G）中均调整工件使其跳动量≤0.02mm。 
所述步骤（G）完成后待工件温度降至室温后再进行步骤（H）。 
所述步骤（G）进行中为防止热变形采用煤油冷却。 
所述步骤（F）中采用的弹性夹套的壁厚＜2mm。 
本发明的有益效果是： 
与现有技术相比，本发明提供的铝合金薄壁筒形件的加工方法，增加了去应力工序而提高了硬度，工件的半精车内孔和精车内孔装夹由专用夹具保证，减小了装夹变形和消除了零件加工内应力。且本发明操作简单，工件不用留工艺夹头及去除工艺夹头工序，节省了材料和加工时间。同时，使用本发明加工出的铝合金薄壁筒形件质量稳定，加工成本低和加工效率高。此外还可避免产品直接受三点夹紧力作用而产生变形的影响、可减少旋转热应力变形和压伤、可减少刀具挠性变形、可减少产品原材料消耗、可提高工件的合格率及生产效率，并可降低加工成本。 
附图说明
图1是需加工的铝合金薄壁筒形件结构图； 
图2是本发明粗车内孔的工作示意图； 
图3是本发明半精车内孔的工作示意图； 
图4是本发明精车内孔的工作示意图。 
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述； 
实施例1：需加工如图1所示的零件时，其长度L为450mm，同轴度要求为圆柱度要求为表面粗糙度Ra值为1.6μm，壁厚为1.5mm。 
第一步，设计如图3所示的粗半精车内孔夹具： 
半精车内孔夹具由夹头、三爪卡盘、弹性夹套、弹性橡皮、尼龙中心架、平衡杆等组成，为了避免产品直接受三点夹紧力作用设计增加弹性夹套，使产品的装夹位置受力均匀，其中弹性夹套壁厚为1.8mm并开槽。更换中心架的三根钢轴承为尼龙件减少热应力变形和压伤，尼龙材料为尼龙101。为防此刀具的悬臂梁结构加装平衡棒，使刀具挠性变形减小，平稀杆重量与刀具重量相等。加装三爪卡盘，让开经常使用的导轨变形严重的部份，降低零件加工锥度误差。 
第二部，设计如图4所示的精加工内孔装夹夹具： 
精车内孔夹具由三爪卡盘、轴向夹紧套、定位装夹筒、中心架、平衡杆组成； 
因产品是薄壁零件，径向只要受力产品就有变形且径向力所产生的摩擦力要能承受精加工切削力，不解决径向受力的问题产品的变形量大的问题就不能得到根本解决，精车内孔时，设计夹具采用径向半柔性定位，轴向压紧的方式，避免工件外圆受非均匀夹紧力。产品用外圆与工装夹紧定位内孔定位，轴向用轴向夹紧套夹紧，零件的径向只作半柔性定位作用，基本不受力，装夹用三爪夹紧工装的定位夹紧筒并辅以中心架支承。零件在切削加工只有轴向受力，所以产品加工后变形较小； 
定位装夹筒设计有工件轴向定位的台阶，壁厚4.2mm，内孔与外圆同轴度0.021mm，轴向定位台阶与回转中心垂直度0.022mm，轴向夹紧套为细牙螺纹，其内径比工件外径大1mm，两端面平行度0.018mm。 
第三步，铝合金薄壁筒形件的车削加工： 
下料：将材质为铝合金LY12-CZ的管材下料成分段，确定切削位置；选择刀具：选取各加工阶段需要的刀具，将其按顺序放入刀盘；粗加工：用硬三爪卡盘夹住工件一端外圆，光端面、打中心孔，调头光另一端面确定长度L＝450mm，打中心孔；外圆半精加工：用硬三 爪卡盘夹住粗加工后工件的外圆一端，采用第一刀具顶车外圆，调头夹另一端外圆，顶车外圆未加工部分，外圆接刀痕为0.20mm，外圆留1.5mm余量；时效处理：对外圆半精加工后的工件进行时效处理，消除工件残余应力，分为竖直负温时效和竖直正温时效，温度分别为-60℃和120℃，时间分别为15h和4h；内孔半精加工：将工件一端卡装入弹性夹套内，工件外圆中部缠上弹性橡皮，中心架与外圆接触部更换为尼龙定位轮，刀架前端加装第二刀具且后端加装与第二刀具重量相等的平衡杆，弹性夹套外部卡装三爪卡盘，再将夹头夹住三爪卡盘进行内孔半精加工并留余量0.8mm；内孔精加工：将工件放入一圆柱形的定位装夹筒内并旋紧两端的轴向夹紧套，刀架前端加装第三刀具且后端加装与第三刀具重量相等的平衡杆，夹头夹住定位装夹筒，中心架支撑工件的另一端进行内孔精加工，第三刀具每次吃刀深度为0.1mm、走刀量为0.04mm/r、转速为650r/min；内孔半精加工完成后待工件温度降至室温后进行外圆精加工：上心棒装夹并选用第四刀具精车工件外圆，第四刀具每次吃刀深度为0.12mm、走刀量为0.04mm/r、转速为505r/min；松开夹头即得成品。 
实施例2：需加工如图1所示的零件时，其长度L为500mm，同轴度要求为圆柱度要求为表面粗糙度Ra值为1.6μm，壁厚为1.8mm。 
第一步和第二步与实施例1相同，其中第一步中，弹性夹套壁厚为1.6mm，第二步中定位装夹筒壁厚4mm，内孔与外圆同轴度为0.019mm，轴向定位台阶与回转中心垂直度为0.022mm，轴向夹紧套为细牙螺纹，内径比工件外径大1mm，两端面平行度为0.023mm。第三步车削加工： 
下料：将材质为铝合金LY12-CZ的管材下料成分段，确定切削位置；选择刀具：选取各加工阶段需要的刀具，将其按顺序放入刀盘；粗加工：用硬三爪卡盘夹住工件一端外圆，光端面、打中心孔，调头光另一端面确定长度L＝500mm，打中心孔；外圆半精加工：用硬三爪卡盘夹住粗加工后工件的外圆一端，采用第一刀具顶车外圆，调头夹另一端外圆，顶车外圆未加工部分，外圆接刀痕为0.18mm，外圆留1.5mm余量；时效处理：对外圆半精加工后的工件进行时效处理， 消除工件残余应力，分为竖直负温时效和竖直正温时效，温度分别为-60℃和130℃，时间分别为15h和4h；内孔半精加工：将工件一端卡装入弹性夹套内，工件外圆中部缠上弹性橡皮，中心架与外圆接触部更换为尼龙定位轮，刀架前端加装第二刀具且后端加装与第二刀具重量相等的平衡杆，弹性夹套外部卡装三爪卡盘，再将夹头夹住三爪卡盘进行内孔半精加工并留余量0.8mm；内孔精加工：将工件放入一圆柱形的定位装夹筒内并旋紧两端的轴向夹紧套，刀架前端加装第三刀具且后端加装与第三刀具重量相等的平衡杆，夹头夹住定位装夹筒，中心架支撑工件的另一端进行内孔精加工，第三刀具每次吃刀深度为0.1mm、走刀量为0.04mm/r、转速为650r/min；内孔半精加工完成后待工件温度降至室温后进行外圆精加工：上心棒装夹并选用第四刀具精车工件外圆，第四刀具每次吃刀深度为0.12mm、走刀量为0.04mm/r、转速为505r/min；松开夹头即得成品。 
实施例3：需加工如图1所示的零件时，其长度L为600mm，同轴度要求为圆柱度要求为表面粗糙度Ra值为1.6μm，壁厚为2mm。 
第一步和第二步与实施例1相同，其中第一步中，弹性夹套壁厚为2mm，第二步中定位装夹筒壁厚4mm，内孔与外圆同轴度为0.025mm，轴向定位台阶与回转中心垂直度为0.025mm，轴向夹紧套为细牙螺纹，内径比工件外径大1mm，两端面平行度为0.025mm。第三步车削加工： 
下料：将材质为铝合金LY12-CZ的管材下料成分段，确定切削位置；选择刀具：选取各加工阶段需要的刀具，将其按顺序放入刀盘；粗加工：用硬三爪卡盘夹住工件一端外圆，光端面、打中心孔，调头光另一端面确定长度L＝600mm，打中心孔；外圆半精加工：用硬三爪卡盘夹住粗加工后工件的外圆一端，采用第一刀具顶车外圆，调头夹另一端外圆，顶车外圆未加工部分，外圆接刀痕为0.2mm，外圆留1.5mm余量；时效处理：对外圆半精加工后的工件进行时效处理，消除工件残余应力，分为竖直负温时效和竖直正温时效，温度分别为-60℃和150℃，时间分别为15h和4h；内孔半精加工：将工件一端卡装入弹性夹套内，工件外圆中部缠上弹性橡皮，中心架与外圆接触部 更换为尼龙定位轮，刀架前端加装第二刀具且后端加装与第二刀具重量相等的平衡杆，弹性夹套外部卡装三爪卡盘，再将夹头夹住三爪卡盘进行内孔半精加工并留余量0.8mm；内孔精加工：将工件放入一圆柱形的定位装夹筒内并旋紧两端的轴向夹紧套，刀架前端加装第三刀具且后端加装与第三刀具重量相等的平衡杆，夹头夹住定位装夹筒，中心架支撑工件的另一端进行内孔精加工，第三刀具每次吃刀深度为0.1mm、走刀量为0.04mm/r、转速为650r/min；内孔半精加工完成后待工件温度降至室温后进行外圆精加工：上心棒装夹并选用第四刀具精车工件外圆，第四刀具每次吃刀深度为0.12mm、走刀量为0.04mm/r、转速为505r/min；松开夹头即得成品。 

Claims (9)

1.一种铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（A）下料：将铝合金管材下料成分段，确定切削位置；
（B）选择刀具：选取各加工阶段需要的刀具，将其按顺序放入刀盘；
（C）粗加工：用硬三爪卡盘夹住工件一端外圆，光端面、打中心孔，调头光另一端面确定长度L，打中心孔；
（D）外圆半精加工：用硬三爪卡盘夹住粗加工后工件的外圆一端，采用第一刀具顶车外圆，调头夹另一端外圆，顶车外圆未加工部分，外圆接刀痕＜0.25mm，外圆留1.5mm余量；
（E）时效处理：对外圆半精加工后的工件进行时效处理，消除工件残余应力；
（F）内孔半精加工：将工件一端卡装入弹性夹套内，工件外圆中部缠上弹性橡皮，中心架与外圆接触部更换为尼龙定位轮，刀架前端加装第二刀具且后端加装与第二刀具重量相等的平衡杆，弹性夹套外部卡装三爪卡盘，再将夹头夹住三爪卡盘进行内孔半精加工并留余量0.8mm；
（G）内孔精加工：将工件放入一圆柱形的定位装夹筒内并旋紧两端的轴向夹紧套，刀架前端加装第三刀具且后端加装与第三刀具重量相等的平衡杆，夹头夹住定位装夹筒，中心架支撑工件的另一端进行内孔精加工；
（H）外圆精加工：上心棒装夹并选用第四刀具精车工件外圆。
2.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（G）中所采用的定位装夹筒两端均设有工件轴向定位台阶，壁厚≤5mm，内孔与外圆同轴度≤0.025mm，轴向定位台阶与回转中心垂直度≤0.025mm，轴向夹紧套为细牙螺纹，内径比工件外径大1mm，两端面平行度≤0.025mm。
3.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（E）分为竖直负温时效和竖直正温时效，温度分别为-60℃和120～150℃，时间分别为15h和4h。
4.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（G）中的第三刀具每次吃刀深度为0.1mm、走刀量为0.04mm/r、转速为650r/min。
5.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（H）中第四刀具每次吃刀深度为0.12mm、走刀量为0.04mm/r、转速为505r/min。
6.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（F）和步骤（G）中均调整工件使其跳动量≤0.02mm。
7.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（G）完成后待工件温度降至室温后再进行步骤（H）。
8.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（G）进行中为防止热变形采用煤油冷却。
9.根据权利要求1所述的铝合金薄壁筒形件的加工方法，其特征在于：所述步骤（F）中采用的弹性夹套的壁厚＜2mm。
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