大型非封闭圆薄壁铸铝合金零件车削加工
以非封闭大型薄壁铸铝合金零件为研究对象 ， 在数控立式车床上 ， 通过优化刀具角度 ， 选择合理的切削参数 ， 改善车削工艺路线 ， 设计专用工装 ， 使用间接测量方法等改进措施 ， 解决了零件加工变形的难题 。
大型零件的特点不仅是尺寸大 ， 质量大 ， 而且加工周期长 ， 精度要求高 。 下面以铸铝零件扇形框的车削加工为例 ， 从加工刀具、参数选取、测量方法及工艺路线等多个方面进行分析 ， 以此提出一种可实现大直径非封闭圆薄壁铸铝合金产品加工的可行车削工艺方法 。
1.加工难点分析
1）零件材料是铸铝合金ZL104 ， 车削时粘刀 ， 车削后表面粗糙度值高 。 如图1所示 ， 零件尺寸较大 ， 最大外圆直径为（5000±0.2）mm ， 不易测量 。 （说明：主视图上“5°”为工艺加长部分 ， 最后铣削去除 。 ）
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2）零件外形轮廓为1/4圆 ， 车削时为断续切削 ， 车削过程中入刀和出刀会产生振动 ， 同时零件两端会有弹性让刀 ， 影响最后精车尺寸精度 。 车削过程中 ， 铸造内应力的释放 ， 会引起工件变形 。
3）零件为不规则薄壁件 ， 在车内孔、外圆的时候 ， 因切削热应力 ， 工件两端会发生较明显的向外或者向内变形 ， 使最终零件几何公差不易保证 。 零件形状不规则 ， 相对不好装夹 ， 车削工件最下面（平面度为0.2mm）时 ， 需要做工装 。
综上所述 ， 扇形框零件加工难点主要为铸铝的断续车削、尺寸的测量、工件的装夹及防止或减小变形 。
2.解决方案
铸铝的塑性好、粘性大 ， 切屑和刀具表面摩擦力大,车削时容易造成铝切屑粘刀 。 ZL104为Al-Si合金 ， 耐磨性好 ， 因此刀具要耐磨 。 粗车余量大 ， 背吃刀量大 ， 切削时间长 ， 要求切削刀具锋利 ， 同时又要有较好的耐磨性和较高的加工效率 。 综合考虑刀具的耐磨性和锋利性 ， 使用YG6X硬质合金车刀较好 。 精车时使用高速钢（W6Mo5Gr4V2)车刀,切削更顺畅轻快 ， 减小切削力和切削热的产生 ， 控制工件切削变形 。 同时这两种刀具的抗振性能也比较好 ， 能够满足断续切削的要求 。
（1）刀具几何形状主要参数的确定YG6X粗车刀 ， 主偏角根据车削位置不同分别取45°和90° 。 由于工件毛坯砂眼处的坚硬物质易使车刀崩刃 ， 综合考虑车刀的强度和锋利性 ， 前角取20°～25° ， 后角取6°～8° 。 这样车刀锋利 ， 减小了切削力 ， 又不易引起振动 ， 同时又有较好的强度；并且前、后刀面刃磨得要尽量光滑 。 容屑槽宽15mm以上（尽可能宽大） ， 接近开放式卷屑槽 ， 这样能够减小切屑流出时的塑性变形 ， 减小流动摩擦 ， 使进给力不会因为切屑的堆积、挤压产生较大变化 ， 而使切削不平稳 。 刃倾角取大约﹣15° ， 目的是为了在断续切削过程中 ， 使刀具逐渐切入和切出 ， 尽量减小因冲击而引起的振动 。
高速钢精车刀 ， 克服精加工变形 ， 是保证几何公差的关键 。 为了减少工件变形 ， 尽可能减小径向切削力和切削热的产生 ， 精车时尽量选用大前角、大后角及大主偏角 。 主偏角用90° ， 前角取25°～28° ， 后角取10° 。 副偏角取15° ， 主要为减少副切削刃与工件之间摩擦产生的热量 。 刃倾角取0° ， 以减小径向切削力为主 ， 因此不考虑切屑流向 。 尽管精车时吃刀量很小 ， 但容屑槽仍开得较大 ， 避免因排屑不顺畅 ， 切屑产生堆积 。 刀尖圆弧0.4mm左右 ， 要大于进给量 ， 利于降低表面粗糙度值 。 前刀面尽量磨得光滑些 ， 以减小刀具与切屑的摩擦 。 手工刃磨后 ， 用油石鐾切削刃及刀尖圆弧 ， 降低刀具切削部分的表面粗糙度 。
（2）切削用量的选择粗车时 ， 切削速度取150m/min,吃刀量2～3mm,进给量0.4mm/r ， 并在工件表面涂抹机油 ， 使切削顺畅 ， 但在切削热的作用下 ， 机油会冒烟并伴有刺鼻气味 ， 对空气污染严重 。 后采用干车削 ， 并加大切削速度至200m/min,利用产生的热量使工件与刀具之间的切削层面处于微熔软化状态 ， 以此减小切屑与前刀面之间的摩擦 。 起初切削还算稳定 ， 但是车削一段时间后 ， 不仅前刀面上出现积屑瘤 ， 而且在后刀面上积聚出很硬的铝瘤 ， 并牢牢的冷焊在后刀面上 ， 使后角明显变小 ， 切削刃变钝 ， 切削抗力明显增大 。 如果继续增加切削速度 ， 由于旋转半径较大 ， 又为不对称形状 ， 工件会产生很大的离心力 ， 另外切削热太大容易造成薄壁零件变形 ， 而且断续切削产生的冲击明显加大 ， 于是车削时可以在工件表面刷乳化液 ， 效果较好 ， 但是费力麻烦 。 后来通过自制滴注乳化液的装置 ， 其原理与医用打点滴的装置类似 ， 效果很好 ， 既省力又干净 ， 优化后的切削速度取180m/min 。 加工效率明显提高 。 粗车时吃刀量不易太大 ， 一般＜5mm ， 否则断续切削冲击力太大 ， 切屑挤压在容屑槽内不易流出 ， 增加进给抗力 。
精车时要尽量减少切削热 ， 所以各切削用量选得较低 。 切削速度取80m/min,吃刀量0.2～0.4mm,进给量0.1～0.2mm/r 。 由于硅铸铝对高速钢产生的磨粒磨损明显 ， 所以不适合高速车削 。
（3）工装为实现工件在垂直方向的定位 ， 立车装夹时需要做4块弧形垫块（见图2） ， 材料HT200 ， 中间留有起吊用的通孔 ， 下面的方槽用来固定弧形垫块 。 弧形垫块用大平面磨床将两面见光 ， 做到高度一致 ， 以保证定位精度 。 并且在固定弧形垫块时 ， 要先在工作台面上水平推拉几次 ， 以保证下端面和工作台面贴合严密 ， 减小安装误差 。 垫块通过压板、螺栓及垫铁等附件固定在工作台上 。 安装位置可以通过工作台面的同心圆刻线与钢板尺配合 ， 很容易确定 。 固定后 ， 用百分表检查弧形垫块上端面的圆跳动和平面度 。 在以后的生产中 ， 为了工装更合理 ， 在弧形垫块两端面上还开了几道沟槽 ， 利于贴合机床转回台面和工件表面 。
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图2垫块
（4）测量测量零件φ5000mm尺寸时 ， 工件需在工作台上加工完毕尚未移动时测量（见图3） 。 用内测千分杆测出内径D1 ， 再用卡尺测得壁厚尺寸H ， 这样工件外径为d1＝D1＋2H 。 由于是单件生产 ， 需要加测量用对称块 。 对称块的位置、车削余量及材料要合适 。 该零件需加3个对称块 ， 并且认为对称块不发生变形 ， 测得3个尺寸不一致 ， 是由于工件变形引起 。 在后来该产品的车削加工时 ， 将2件扇形框零件一起车削 ， 可对称放置 ， 方便了该测量方法的使用 。
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图3工作台上测量工件
尺寸校验如图4所示 ， 已知工作台外径尺寸d（通过激光测量所得）,借助车床X轴坐标和百分表 ， 测得工作台外圆与工件外圆X轴坐标差为t1－t2,可得工件外径为d1＝d－(t1－t2） 。 注意百分表一定要对准车刀中心高 ， 也就是直径处 ， 否则测得坐标差值偏大 ， 所得尺寸不准确 ， 即|t1－t2|＜|t1＇－t2＇| ， 这种方法测量准确快捷 。
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图4尺寸校验
（5）车削工艺路线车削工艺路线按照下面几个步骤进行 。
1）制定合理的工艺路线 。 粗车前的毛坯件经过人工时效处理消除铸造应力 。 因生产需要较急 ， 第一次单件生产加工时只用了粗车→人工时效→精车工序 。 在精车时 ， 尽管优化了切削用量和车削路径 ， 在每次检查内外圆变形量时 ， 都超过了0.1mm ， 给最后几何公差的保证带来了不利影响 。 为减小应力变形对加工最终尺寸的不利影响 ， 提出工艺改进 ， 最后确定较合理工艺安排应为：粗车→人工时效→半精车→人工时效→精车 。
2）粗车（见图5） 。 先以毛坯面为粗基准 ， 车出A面作为精基准 ， 再对整个零件粗车全形 ， 这符合精基准选择原则 。 为降低定位面A面加工的表面粗糙度值 ， 最后一刀时 ， 适当降低切削用量 ， 并在工件表面涂抹适量煤油与机油混合物 ， 实践证明效果较好 。 再以毛坯面定位时 ， 毛坯面与床面间隙处要塞以铜皮 ， 尽量消除大面积接触不实 ， 以防止振动 。 粗车时留工艺夹头“G”,以方便装夹 。 粗车后夹头要去除 ， 防止精车时因夹头的去除增加应力变形 ， 给精车带来更多困难 。 由于铸件毛坯的表面很粗糙 ， 车第一刀时为避免刀尖接触其粗糙的表皮硬层 ， 所以第一刀要合理加大切削深度 。 尽管是粗车 ， 在粗车过程中也要经常放松压板 ， 让工件自由变形 ， 释放应力 ， 并要多次调整压板 ， 以保证各面均匀留加工余量5mm 。 铸造残余内应力 ， 在粗车去掉大量材料后 ， 零件会发生较明显的变形 。 一般情况下 ， 车内圆时 ， 工件两端会向内变形 ， 车外圆时 ， 工件两端会向外变形 ， 而切削热应力使工件变形的方向正好相反 。 如果单从这方面考虑 ， 粗车时 ， 切削热应力有利于抵消铸造应力引起的工件变形 。 由于粗车时夹紧力较大 ， 工件会有轴向弹性变形 ， 弹性回复后引起的误差很小 ， 会在以后的工序加工中得以补偿 。 由于转速较高 ， 单件生产时需加平衡块 ， 否则有可能影响机床主轴回转精度 。
3）半精车 。 使用高速钢 ， 克服加工变形 ， 是保证几何公差的关键 。 利用弧形垫铁 ， 先将定位基准A面车出 ， 而后车出全形 ， 各面均匀留2mm精车余量 。 半精车时可模拟精车加工 ， 优化出合理的加工路径和切削用量 ， 并检测工件在不同车削条件下产生的变形量 ， 为精车工序做参考准备 。 加工路径对加工过程中残余应力的分布趋势产生作用 ， 根据被加工材料尽可能对称分布的道理 ， 确定加工顺序为:A→D→B→F→C→E（见图5） 。 在检查变形量时 ， 用百分表压工件一端 ， 然后松开该端压板 ， 观察变形方向及大小 。 在反复倒压板的过程中 ， 要先倒两端 ， 最后倒中间 ， 防止工件在此过程中位置发生变动 。 为防止工件两端在车刀出入时产生振动和弹性变形 ， 在工件两端增加辅助支撑 ， 其结构如图6所示 。 只要用压板头部抵在工件后面靠实即可 。 另外用锉刀在工件入刀、出刀处锉出45°倒角 ， 可明显减小入刀与出刀时的冲击 。
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图5粗车示意
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图6工件两端增加支撑
1-螺母2-垫片3-压板4-螺杆5-筒形垫铁6-T型螺母
4）精车 。 为了车后工件表面美观 ， 不易用乳化液 ， 因为用后工件表面会变灰色；铸铝粘刀 ， 容易产生积屑瘤 ， 影响工件表面粗糙度 ， 因此精车时在工件表面刷适量煤油与机油混合物 ， 效果很理想 。 工件放在弧形垫铁上时 ， 尽量放平摆正后 ， 用塞尺检查与弧形垫铁贴合面有无微小缝隙 ， 若有 ， 用薄铜皮或者薄纸片塞实 ， 再将工件四面用压板顶住 ， 车出定位面A面 ， 翻过来以A面定位车其他面 。 车削过程中吃刀量要逐刀减小 ， 并且逐刀变换车削位置 。 各面车削顺序原则是：车一刀某面 ， 第二刀尽量车这个面的对立面 。 例如该零件车完一刀F面后 ， 下一刀应该车B面 。 其目的就是为了减小因变形引起的误差 。 车B面时（见图7） ， 压在A面的压板压力要合适 ， 既要固定住工件 ， 又不能让工件发生弹性变形 。 因此 ， 压板压力要用力矩扳手严格控制 。 实际工作时是依经验靠手感控制力矩大小 。 在压板与工件接触面上垫以铝块 ， 这样既可以保护A表面不被压伤 ， 又可以增大受压面积 ， 防止工件因受压发生弹性变形 。
图7精车B面1-支撑2-弹簧垫圈3-压板4-铝垫块5-弧形垫铁5）观察该零件并分析 。 其C面与E面的根部R处 ， 厚度相对较厚 ， 该处在铸造冷却时应该最慢 ， 即使工件经过去应力时效 ， 仍然会有残余应力 ， 此面易先车出 ， 让其释放潜在的变形 。 另外 ， 保证该零件几何公差的关键是B面与A面 ， 这两个面最后车出比较合适 。 综合以上因素 ， 确定先精车工件的内形面 ， 并将F面一并车出 ， 控制尺寸为φ（4440±0.2）mm 。 A面留0.4～0.5mm,B面留0.3～0.4mm余量 。 以D面作为定位基准 ， 利用工装 ， 用压板顶工件四面 ， 车成A面；再用压板轻压A面 ， 将B面车至尺寸 。 实际工件车削完毕后 ， 工件两端头部直径变化接近0.08mm ， 主要因为这两个部位距离支撑较远 ， 刚性差 ， 车刀在出入工件时 ， 工件两端有微量弹性变形 ， 并且表面有振痕 ， 解决办法是两端加长了大概5°所对的弧长(见图1）,加工完成后由铣削去除 。
精车A面通常安排在下午进行 ， 其道理是机床通过上午的运转和工作 ， 机床温度与环形导轨油温已趋稳定 ， 工作台面稳定 。 另外精车进给过程中不易再调节主轴转速 ， 因转速的变化会引起导轨油膜厚度的变化 ， 其对工作台浮动也有影响 。 最后零件经检验员用激光跟踪仪精密测量 ， 达到了图样要求 。
3.结语
由最终测量结果得出 ， 采用以上工艺路线和加工方法 ， 选择的刀具和切削参数 ， 可以满足设计图样尺寸的要求 ， 解决了该零件的加工变形的问题 。 该零件的加工方法提升了大型非封闭圆薄壁铸铝合金零件制造技术水平 ， 为以后加工类似零件积累了宝贵经验 。
本文发表于《金属加工（冷加工）》2020年第11期第61~64页 ， 作者：天津航天长征火箭制造有限公司高显胜、周扬、李泽宇、王龙 ， _本文原始标题：《大型非封闭圆薄壁铸铝合金零件车削加工》 。 好消息！金属加工视频号开通啦！-End-【大型非封闭圆薄壁铸铝合金零件车削加工】
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