鋁合金類汽車零件的加工工序設計及刀具選擇

謝紅

【摘 要】鋁合金是工業(yè)制造中重要的原材料，特別是在汽車工業(yè)領域，鋁合金制成的零件占了絕大多數(shù)。但由于材質(zhì)的特殊性，如何對其進行加工才能達到理想效果，是制造過程中要重點考慮的。為了得到高質(zhì)量的汽車鋁合金類零件，本文對汽車鋁合金類零件的技術(shù)特點進行了分析，確定了加工過程中工序設計、刀具、參數(shù)等的選擇。

【關鍵詞】鋁合金；零件；加工；刀具；高速銑

鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)中的主要原材料，它的主要成分中的合金元素鎂與硅。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。特別是在汽車工業(yè)領域，鋁合金制成的零件占了絕大多數(shù)。但鋁合金加工中容易產(chǎn)生各種變形，因此，鋁合金類的零件對加工工藝的要求較高。下面，就鋁合金類的汽車零件的加工工序設計和刀具選擇談談。

1.支架類零件特點

支架類零件一般具有連接其它功能零件、承受疲勞應力的作用，尺寸精度是支架類零件的一項重要質(zhì)量特性，但因為其加工要素多，形狀復雜，有很多的形位公差要求，因此支架類零件的加工在機械制造業(yè)中是個難點。

2.支架類零件的工藝性分析

支架類零件的很多加工要素一般需要在加工中心上完成，以某車型中的一個零件為例，材料為2A12T4，該零件形狀復雜，加工、檢驗較困難。

零件加工難點分析：

1）該零件的尺寸公差較嚴，部分面的表面粗糙度求Ra1.6μm，其余均為Ra3.2μm，加工精度較容易保證，但零件周邊厚度僅為1.1-0.4+0.4mm，且比較深，為32mm，面積較大，加工時極易因振刀影響壁厚公差以及粗糙度，應作為工藝上考慮的重點；零件在加工后各處厚薄尺寸相差懸殊，上端腔體四周剛性較差，故該零件在銑削中以及銑削后都會產(chǎn)生較大的變形。

2）該零件被加工輪廓表面的最大深度為H=（90-4.5-4.5-49）=32mm，該處的轉(zhuǎn)接圓弧為R2mm，兩者比值達到了0.0625，遠小于0.2，不能滿足銑削工藝性要求，因此在加工中應作為重點考慮的對象。

3.加工工序設計、刀具及參數(shù)選擇

針對支架類零件的特點，對該零件安排加工工藝流程為：粗車→粗銑（去上表面腔體以及槽的余量）→時效→精車外圓→線切割（加工完成下端寬為49mm的槽）→精銑（上表面以及耳）→鉗工（去毛刺）→車工（去夾頭）→數(shù)控銑（鉆底面孔）→鉗工（攻絲及去毛刺）→檢驗→表面處理。

數(shù)控銑加工是此類零件加工的難點。如果將外表面展開來看，其加工的要素可分為平面、輪廓和腰形槽等，數(shù)控加工就變得比較簡單，零件程序編制均可在Master cam上實現(xiàn)。

下面重點就數(shù)控精加工部分予以闡述，該零件的數(shù)控銑加工選擇的機床為UCP800，零點選擇在零件的上表面圓心，程序的編制分別在UGCAM和Master cam上分段編制，零件的加工順序安排為：先加工上表面，此時下面4個腔剛性較好，加工中的振動影響較小，有利于保證零件上端面的尺寸要求，然后加工下部的兩個腔以及分布在加強筋上的7個耳。

針對加工難點中的第一條，宜采用小直徑銑刀加工以減小切削力，并合理安排粗、精加工，選擇合適的裝夾方法，來防止和控制零件變形。采用留夾頭裝夾、粗銑釋放變形、安排時效等工藝方法來消除變形。時效后材料具有較高的強度，有助于消除殘余應力。時效后材料不但有較高的拉伸屈服強度、壓縮屈服強度和抗腐蝕強度，而且有較好的熱穩(wěn)定性能。

針對加工難點中的第二條，在加工上端的型腔時，由于其轉(zhuǎn)接半徑與深度之比為0.0625（遠小于0.2），加工時難度很大，因此，磨制專用刀具加工R2mm。專用刀具為加長的準4mm刀，并把錐柄部分磨細，以防止振刀，采用小的切削量。但是在轉(zhuǎn)速3000r/min，切深0.5mm，進給量500mm/min的加工條件下，由于此部分為薄壁深槽，零件腔體內(nèi)表面有很明顯的振刀紋，粗糙度達不到要求，經(jīng)過多方查閱資料，決定在后面的零件加工中，采用高速銑技術(shù)。高速銑（High Speed Milling）是集多學科技術(shù)于一體的先進制造技術(shù)，由于它大大提高了切削效率和加工質(zhì)量，故又稱之為“高性能加工”（High Performance Machining）。通過對高速加工技術(shù)的研究，人們發(fā)現(xiàn)高速銑與常規(guī)銑削加工相比，高速銑的單位功率下的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的壽命提高了70%；滯留于工件的切削熱量大幅度降低，切削引起的振動幾乎消失。國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，進給速度和切削速度每提高15%～20%，可降低制造成本10%～15%。與傳統(tǒng)數(shù)控加工相比，高速銑削具有的特點見表1。

表1 高速銑削與傳統(tǒng)數(shù)控加工機床特性比較

高速銑可以縮短加工時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，非常適合薄壁件的加工。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，伴隨著切削速度的提高，刀具壽命、表面質(zhì)量、切削力以及金屬材料切除量與切削速度的關系。

加工該零件的UCP800五軸加工中心最高轉(zhuǎn)速為12000r/min，在加工該零件時，選擇轉(zhuǎn)速為10000r/min，每刀切深為0.5mm，進給量為4000mm/min，經(jīng)過與一般轉(zhuǎn)速加工完成的零件比較，提高了零件表面粗糙度，消除了振刀現(xiàn)象。由于切削速度的提升和加減速的限制，已完全改變了傳統(tǒng)的編程策略，因此，在規(guī)劃刀位軌跡時，除要考慮刀軌無干涉無碰撞因素外，還要考慮以下編程要求：1）應盡量避免刀軌的突然變化；2）應最大限度地減少甚至消除加工殘區(qū)；3）應盡量避免多余空刀；4）應保持穩(wěn)定的切削參數(shù)；5）應保證刀具緩慢切入工件。

垂直進刀，能實現(xiàn)進刀路徑最短，其缺點是：刀具垂直切入工件，其軸向負載會突然變大，容易引起刀具偏斜，造成加工質(zhì)量下降和刀具壽命縮短，應慎用。切向進刀，適合高速加工，常用于工件外進刀。斜向進刀能保證刀具漸進切入工件，切削力小，此進刀方式是高速加工的較好選擇。但這些進刀方式畢竟刀軌不連續(xù)，還會引起主軸振動。用于高速加工，上述進刀方式都存在著問題。然而，在采用螺旋進刀后，這些問題即可得到解決。螺旋進刀刀軌如圖1所示。

圖1 螺旋進刀刀軌圖

刀軌方程：

速度、加速度：

切入角：

式（1）～（5）中：ω為刀位點旋轉(zhuǎn)角速度；R為刀位點回轉(zhuǎn)半徑；t為運動時間；P為螺距；a為向心加速度。

圖1中：ap為每層切深；A為快速進刀終點到切入點之間的距離。螺旋進刀刀軌生成算法，步驟如下：1）設定R，考慮加工區(qū)域的形狀和尺寸、a以及刀具直徑這些因素，折中地選擇R。2）設定P，根據(jù)加工材料與ap，合理地選定出P。3）計算β。4）計算總高H，為減少冗余刀軌，取A=1-2P；H=ap+A。5）生成螺旋進刀刀軌。6）顯示并編輯，判斷生成的進刀刀軌是否合理，否，跳回（1）；是，結(jié)束。

由式（1）～式（3）知，螺旋進刀刀軌不僅是光滑的，也是C1連續(xù)的（曲線間連接的光滑度的度量有兩種：一種是函數(shù)的可微性，把組合參數(shù)曲線構(gòu)造成在連接處具有直到n階連續(xù)導矢，即n階連續(xù)可微，這類光滑度稱之為Cn或n階參數(shù)連續(xù)性。另一種稱為幾何連續(xù)性，組合曲線在連接處滿足不同于Cn的某一組約束條件，稱為具有n階幾何連續(xù)性，簡記為Gn），與垂直進刀、切向進刀相比，螺旋進刀避免了刀具與工件的剛性碰撞和干涉；與斜向進刀相比，它不僅解決了刀軌的光順性，而且實現(xiàn)了切入角β可尋優(yōu)。

在自動編程過程中，若能按照這些要求去規(guī)劃刀軌，不僅可適應高速走刀，縮短切削時間；而且能減小主軸振動和偏斜。這對提高加工平穩(wěn)性，提高加工生產(chǎn)率，改善加工質(zhì)量，延長刀具壽命將大有益處。

零件加工效果：此種零件經(jīng)過我車間精心加工，確保了設計圖紙要求。但如果今后定型批量生產(chǎn)，此種零件結(jié)構(gòu)與設計要求的工藝性不高，生產(chǎn)周期與成本較高，不適合大批量的生產(chǎn)加工。

4.結(jié)束語

總之，在鋁合金類的汽車零件加工過程中，加工工序的設計、刀具的選擇以及參數(shù)的選取都是至關重要的，只有把這些因素都綜合考慮，才能提高加工質(zhì)量和加工效率。

參考文獻：

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