薄壁鋁端管加工工藝改進

夏春和,趙純穎

1沈陽飛機工業(集團)有限公司;2中航沈飛民用飛機有限責任公司

1 引言

飛機液壓系統中導管之間大多依靠活動連接組件柔性連接,鋁端管是活動連接組件中較為關鍵的分件。鋁端管一側密封連接在活動連接組件內,一側與導管焊接固定。為保證連接的密封性,鋁端管外表面粗糙度要求比較高,達到Ra0.4。受設備性能、刀具種類及工藝水平的限制,一般鋁端管外表面粗糙度采用先車削去除表面冷拉硬皮,再用砂紙拋光來提高表面光潔度的加工方法,加工效率比較低,并且拋光過程中產生的粉塵對人體健康有一定的影響。

2 鋁端管加工要求及存在的問題分析

鋁端管選用的材料為LF6防銹鋁,結構為帶四個方形限位槽的圓管薄壁件。鋁端管外徑尺寸為φ25d11mm,壁厚為1.5mm,長度為60mm,外表面粗糙度為Ra0.4μm。鋁端管結構見圖1。

圖1 鋁端管結構

鋁端管加工工藝路線:成組下料—車工切制單件—沖壓方形槽孔—鉗工去毛刺—清洗—車外表面—鏜內孔—砂紙拋光外表面—清洗—檢驗—入庫。

鋁端管加工中存在的問題:①零件外表面粗糙度要求高,需要多次拋光,加工強度大,生產效率低,且拋光過程粉塵多,不利于人體健康;②工藝流程分散,工序內容簡單,生產周轉次數多且準備時間長。

產生上述問題的原因:①受設備轉速和刀具種類的限制,鋁端管外表面粗糙度很難直接以車削加工實現,采用車削去除精管原材料表面冷拉硬皮,再通過砂紙拋光來提高光度。零件外表面粗糙度要求Ra0.4μm,拋光過程需要三次拋光(先使用240#砂紙粗拋,再使用500#和800#砂紙精拋)才能達到要求,加工效率較低且鋁端管生產數量較大,拋光后大量鋁粉末漂浮在空氣中,不利于人體健康;②為保證裝夾穩定、增加零件剛性以及減少加工引起的變形,鋁端管車削外表面工序和拋光外表面工序均采用軸對頂的裝夾方式加工。

受軸對頂裝夾方式的約束,鏜臺階孔工序需要單獨裝夾,造成加工工藝流程比較繁瑣、單個工序加工內容比較簡單,生產過程中需要更多的周轉次數和時間。另外,采用軸對頂裝夾方式,每次裝夾、拆卸零件都需要搖動普通車床尾座頂尖,準備時間較長。軸對頂裝夾方式見圖2。

圖2 軸對頂裝夾方式

3 改進措施

通過對存在的問題及其原因分析得出鋁端管加工問題集中在兩處:①更高效地加工零件外表面粗糙度的方法。②改進現有裝夾方式,集中加工工序,提高加工效率,減少周轉和準備時間。針對這兩個問題,提出以下改進措施。

3.1 調整裝夾定位方式

鋁端管具有外壁薄以及剛性差等特點,車削加工過程中極易產生變形,造成零件壁厚超差,生產過程中一般采用軸對頂的裝夾方式來解決變形問題。通過兩側軸胎與零件內孔小間隙配合撐起內孔,提高零件剛性,減少加工中的變形。雖然軸對頂裝夾方式解決了零件加工質量問題,但也產生了效率問題:工序內容簡單,工序分散,準備時間長。針對這種情況,設計了一種新型的裝夾胎具——四瓣外脹結構胎具。四瓣外脹胎具結構見圖3,該胎具分為胎體、壓緊釘兩部分。

圖3 四瓣外脹胎具結構

胎體是螺紋胎結構形式,內部型腔在內螺紋結構的基礎上又增設一個帶90°倒角過渡面的臺階孔。胎體外圓周上均勻開四個槽,形成一個四瓣結構。受材料回彈變形影響,四瓣結構向內部回縮,胎體外徑會變小。壓緊釘是一個帶90°倒角過渡面的內六方螺釘。壓緊釘與胎體螺紋連接,壓緊釘90°倒角過渡面與胎體內腔90°倒角過渡面接觸后繼續擰緊壓緊釘,會迫使胎體四瓣結構外脹,恢復到彈性變形前狀態,并與零件內孔緊密貼合,從而達到夾緊零件的目的。

經過實際加工驗證,采用這種四瓣外脹結構胎具裝夾零件不僅裝夾穩定可靠,而且可以間接提升鋁端管的剛性,減少變形;另外這種裝夾方式為后續分散工序集中加工提供了便利條件。

3.2 以車代拋工藝方法改進

鋁端管采用硬質合金刀具低速車削加工時,切屑容易與刀具發生“膠焊”或黏連形成積屑瘤,加工表面質量不理想,粗糙度僅能達到Ra0.8μm左右。為了獲得低粗糙度值的表面,采用砂紙拋光工藝。經過三次拋光,外表面粗糙度可以達到Ra0.4μm。但砂紙拋光仍存在加工效率低的問題。

隨著高性能、高精度數控機床的廣泛應用和性能優異刀具的出現,可以直接車削加工出低粗糙度值的表面。結合新的裝夾定位方式,鋁端管加工工藝流程方案優化為:成組下料—車工切制單件—沖壓方形槽孔—鉗工去毛刺—清洗—粗車外表面、精車外表面、鏜內孔—清洗—檢驗—入庫。

工藝流程方案主要有以下兩點改進:①以車代拋,Ra0.4μm外表面直接車削加工,提高加工效率;②工序集成加工。工序數量由原來的11道工序縮減為現在的9道工序,將原來工藝流程中車外表面、鏜內孔、拋光外表面等3道工序集成在1道工序加工,減少不必要的周轉。

3.3 刀具材料的選擇

鋁合金加工可供選擇的刀具材料有硬質合金、陶瓷和金剛石等。硬質合金工具材料具有較高的硬度、抗彎強度和韌性、耐用度,是切削鋁合金的主要刀具材料。但在高速切削鋁合金時,工件仍存在黏刀現象,容易形成積屑瘤,工件表面粗糙度不太理想,很難提升到Ra0.4μm,硬質合金刀具適宜在表面光度要求不高的加工上;陶瓷刀具材料具有更高的硬度、耐磨性和耐高溫性,但是陶瓷材料比較脆,容易產生裂紋導致刀片破損,陶瓷刀具的缺點限制了它的使用范圍。另外,加工鋁合金不宜選用Al2O3基陶瓷刀具,鋁的化學親和力容易產生黏結,造成摩擦阻力增大,加速磨損刀具;金剛石刀具材料是一種新型優質的刀具材料,具有硬度高、耐磨性好、導熱性好和摩擦系數小等特點,加工中切削變形和切削力低,刀具磨損緩慢,切削過程更為穩定,有利于降低表面粗糙度,高速車削時零件表面可達到鏡面效果,是目前車削鋁合金理想的刀具材料[1],但是缺點是切削深度不能太大,價格昂貴和成本高。

結合上述刀具特點,鋁端管外表面加工采用硬質合金刀具粗車、金剛石刀具精車的方法,替代傳統的硬質合金刀具粗車、砂紙拋光的方法。其中硬質合金刀具選用YG類材料,金剛石刀具選用聚晶金剛石(PCD)材料。

3.4 刀具參數的選擇

刀具幾何參數直接影響加工鋁合金薄壁零件的尺寸精度和表面粗糙度。外表面粗加工過程主要以去除材料為目的。鋁端管是薄壁結構件,剛性較差,硬質合金刀具的幾何參數不僅應保證刀具鋒利且易于散熱,還要保證切削刃有一定的強度。因此,需要綜合權衡刀具的前、后角度數。通過車削試驗,最終選擇刀片參數為前角15°,后角8°,刀尖圓角R=0.2mm。

外表面精加工過程主要以降低表面粗糙度為目的,需要考慮金剛石刀具前角、后角、刀尖過渡圓角大小對加工表面粗糙度的影響。刀具前角影響切削的難易程度,而過大的刀具前角會降低刀尖強度。通過試驗發現,前角在-5°～10°范圍時,隨著前角的增大,切削刃變得鋒利,工件的表面粗糙度逐漸變小。其中前角在-5°～0°變化時,表面粗糙度變化明顯;前角在0°～10°變化時,表面粗糙度變化趨勢減緩,前角取0°是一個比較適宜的度數。后角的主要作用是減小后刀面與已加工面間的摩擦,配合前角來調整切削刃的鋒利程度和強度[2]。試驗發現,隨著刀具后角的增大,表面粗糙度先減小后增大。后角在8°左右,工件表面粗糙度較好。刀尖過渡圓角大小對表面粗糙度也比較重要,刀尖圓角對工件表面實現擠壓加工,從而可以形成比較好的外表質量。試驗發現,隨著刀尖圓角半徑的增大,表面粗糙度逐漸減小。當達到一定程度后,表面粗糙度變化不大。刀尖過渡圓角R=0.4mm是比較適宜的圓角。

3.5 工藝參數的選擇

影響零件表面質量的工藝參數包括進給量、切削速度和切削深度。

3.5.1 選擇外表面精加工進給量

圖4為金剛石刀具車削理論輪廓。采用金剛石刀具切削時,理論殘留面積高度計算式為[3]

圖4 金剛石刀具車削理論輪廓

Rth=f2/8R

式中,Rth為工件表面上形成的殘留面積高度,其值決定表面粗糙度的大小;f為刀具每轉進給量;R為金剛石刀具圓弧半徑。

根據上式可以看出,刀尖過渡圓角R一定的情況下,進給量f對表面粗糙度影響較大。Rth與f成指數關系,當進給量f較小時,殘留面積高度Rth低,可獲得較好的表面質量。但當進給量f過小時,加工中容易出現黏結和擠壓現象,表面粗糙度反而變大。所以,需要根據具體加工條件確定刀具實際的進給量。通過車削試驗,進給量選擇0.04mm/r。

3.5.2 選擇外表面精加工切削速度

隨著切削速度增大,切削刃對工件擠壓程度降低,切削力減小,表面粗糙度減小;當切削速度增大到一定值時,產生的摩擦熱不能及時向內部傳導,刀具磨損加快,導致表面粗糙度會有一定的增大。所以,切削速度存在一個理論適宜速度。通過車削試驗,主軸轉速選擇2500r/min。

3.5.3 選擇外表面精加工切削深度

切削深度越大,在已加工表面殘留面積高度也越大,表面粗糙度變大。所以,需要選用小切削深度進行加工。由車削試驗可知,切削深度選擇0.1mm。

4 實施效果

從鋁端管裝夾方式、Ra0.4μm外表面粗糙度加工工藝方法、刀具材料、刀具參數和工藝參數等方面進行了優化改進,可以更高效地加工鋁端管零件外表面,改進現有裝夾方式,集中加工分散工序,提高加工效率。

4.1 產品質量

經過測量,鋁端管外表面粗糙度可以達到Ra0.2μm ～Ra0.3μm,金剛石刀具滿足車削加工鋁端管外表面Ra0.4μm的要求。車削過程如圖5所示,車削加工后的鋁端管如圖6所示。粗糙度檢測設備為T8000 R120-400,表面粗糙度檢測結果如圖7所示。

圖5 車削過程

圖6 鋁端管

圖7 表面粗糙度檢測結果

4.2 生產效率、生產周期及加工環境

改進工藝流程后,由原來的11道工序縮減為9道工序,將原來工藝流程中3道工序內容(車外表面——鏜內孔——拋光外表面)集成在1道工序加工,加工時間由原來的6.2min降低到1.5min,周轉次數由3次減少為1次,并且新的工藝方法改善了加工環境,基本消除粉塵,避免了對工人身體健康的影響。實施效果對比見表1。

表1 實施效果對比(外表面、內孔加工工序)

5 結語

薄壁鋁端管加工從調整裝夾方式、改變加工方法、合理選擇刀具材料、優化刀具參數和工藝參數等多個方面進行了改進,有效地解決了鋁端管加工過程中加工效率低、加工方式影響健康、工序流程分散、工序內容簡單、周轉次數多等問題,提高了產品生產效率,縮短了加工周期,具有良好的經濟性。