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薄壁铝合金件的加工工艺研究

2019/12/03 阅读:

:在机械加工工艺设计过程中碰到薄壁零件一直是让人头疼的问题,特别是铝合金材料,无法使用传统的夹具或磁性吸附方式固定零件来完成零件的成形加工。本文通过对某典型薄壁框形零件结构特点的分析,制定了该零件的加工工艺路线,并对专用工装进行了探讨。我公司是一家综合型机械制造企业,笔者所在的机加事业部专门对外承接机加工订单,车间内拥有各型数控加工中心、立加、卧加及数控镗铣床。最近公司开发的新产品中,需要加工一批图1所示铝合金薄壁零件压板。

1.工艺分析

该压板件为框形零件,长650mm,宽480mm,总厚度14-0-0.018mm,最薄处厚度仅5mm,属于薄壁零件。内腔沉台及大面上各有一圆孔,长边靠近中线位置有4处半圆形缺口,如图2所示。该压板设计为铝合金材质,整体框形。同时零件与关键重要部件镜片直接接触,表面粗糙度要求较高,对零件的加工工艺提出非常高的要求,不允许表面有任何的划痕、印记等。关键控制点是厚度尺寸公差0.018mm和平面度≤0.12mm。该压板是薄壁框形零件,考虑到批量较小及不适合开模等问题,最终确定选用厚度为20mm的铝板直接下料。该压板零件在加工过程中材料去除率达90%以上,所产生的加工应力会引起非常大的形变。为保证成品的平面度≤0.12mm和厚度14-0-0.018mm,工艺路线的制定必须考虑到零件的加工变形,需在粗加工后进行人工时效,去除加工应力。由于铝合金不能采用磨的方式进行加工,为达到图样需要的表面粗糙度值Ra=1.6μm、平面度0.12mm及厚度公差0.018mm,可以考虑选用小直径铝合金专用刀具,采用小的吃刀量分多刀进行精铣,同时半精铣留余量,先检测平面度及厚度合格再进行精铣到位。具体工艺路线为:采购铝合金板料→水刀下料→粗铣(单边余量2.5mm)→人工时效→半精铣面(单边余量0.8mm)→平面度检测→精铣面→铣槽、钻孔→钳工处理→三坐标检测→表面处理。

2.夹具设计

人们在加工薄壁型铝材的过程中经常采用真空吸附装置,但该零件加工面太小,空间不够,无法顺利实现密封,必须考虑利用传统夹具来固定零件进行精加工。(1)基准面夹具因该零件材质为铝合金,使用传统压板固定容易在表面留下压痕,而且正在加工过程中需要换压板导致加工不连续,产生接刀痕,影响加工精度,并且在切削加工过程中压夹方式的不合理极易引起工件自身的变形,造成加工精度不合格。为寻找一种不直接在切削面加压板而且夹紧力也不会引起工件自身变形的装夹方式,经过上述分析,设计了图3所示的工装,使工件基本上能够处于自由状态下被切削,用于精铣基准面。该套夹具的组成结构如图4所示:底座4通过压板固定在立式加工中心的工作台面上,端部带圆弧的弹性体3通过底部螺钉孔固定在底座4上,弹性体3上部开口通过调节螺栓2来夹紧零件1压板。该工装单个弹性体对零件1的夹紧力很小,基本不会引起产品装夹变形。为防止在铣削过程中工件随切削方向串动,沿零件轮廓方向设置了多个弹性夹具体,既能满足装夹找正要求又不会引起装夹变形。该套夹具的工作原理是:在加工过程中,采用锋利的铝合金专用刀具进行切削,吃刀量尽量小,X、Y向不完全限位,不会影响平面度,Z向通过弹性夹具体顶部限位,基本是在自由状态下进行切削,能够保证平面度,并在翻面加工总厚时将此面作为基准面。(2)非基准面夹具整个零件的厚度公差范围只有0.018mm,除基准面加工要保证平整外,与基准面平行的非基准面加工也非常重要。除机床自身精度满足外,不合理装夹也会引起零件变形,从而导致厚度公差不能保证,为此设计了如图5所示工装。该套夹具的组成结构如图6所示:工装底板1固定在工作台上,精铣凸台面至平面度≤0.01mm作为支承平面,清洁干净。零件2置于支承面,沿零件2四周设置多个压点,利用螺钉3固定压板5来压紧零件2,此处需要注意螺钉不能拧得过紧,最好采用扭力扳手进行,控制单个压点的力保证均匀。精加工内侧沉台面及孔时压板5压外圈,精加工上平面及孔时将压板5、垫块6、螺钉3及垫圈4移至内圈即可。

3.工艺验证

在实际精加工过程中,采用精铣基准面夹具加工好基准面,送三坐标检测平面度≤0.1mm。然后利用精铣总厚夹具定位基准面装夹,压板轻压外侧,精铣内腔沉台至厚度5mm,然后压板移至内侧轻压沉台处,精铣总厚度至14-0-0.018mm及外侧各尺寸。为保证不损伤零件表面,上述工装底板及压板均采用同样材质的铝合金来制作,还在适当位置设置定位销来进行限位,提高同一工序不同零件装夹找正效率。加工完成后送三坐标终检,结果完全满足图样要求,经过此工艺路线及方法批量生产,最终交付客户的产品无一件不合格,成品如图7所示。

4.结语

加工铝合金薄壁零件,完全满足厚度方向0~0.018mm的公差及平面度≤0.12mm,顺利交付给客户。为了达到图样精度要求,使用特殊工装,保证了基准面的精度,才进一步为整个零件精度的保证提供了可行性。针对特殊零件应该跳出固有思维,采用灵活多样的形式来进行工艺设计及工装设计。

参考文献:

[1]朱庆.真空吸附在薄型铝材零件加工中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2012(10):85-87.

作者:何清贤 彭永辉 单位:宜宾普什联动科技有限公司

薄壁铝合金件的加工工艺研究

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