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編者按
以非封閉大型薄壁鑄鋁合金零件為研究物件，在數控立式車床上，透過最佳化刀具角度，選擇合理的切削引數，改善車削工藝路線，設計專用工裝，使用間接測量方法等改進措施，解決了零件加工變形的難題。
大型零件的特點不僅是尺寸大，質量大，而且加工週期長，精度要求高。下面以鑄鋁零件扇形框的車削加工為例，從加工刀具、引數選取、測量方法及工藝路線等多個方面進行分析，以此提出一種可實現大直徑非封閉圓薄壁鑄鋁合金產品加工的可行車削工藝方法。
1. 加工難點分析
1）
零件材料是鑄鋁合金ZL104，車削時粘刀，車削後表面粗糙度值高。如圖1所示，零件尺寸較大，最大外圓直徑為（5 000±0。2）mm，不易測量。（說明：主檢視上“5°”為工藝加長部分，最後銑削去除。）
2）
零件外形輪廓為1/4圓，車削時為斷續切削，車削過程中入刀和出刀會產生振動，同時零件兩端會有彈性讓刀，影響最後精車尺寸精度。車削過程中，鑄造內應力的釋放，會引起工件變形。
3）
零件為不規則薄壁件，在車內孔、外圓的時候，因切削熱應力，工件兩端會發生較明顯的向外或者向內變形，使最終零件幾何公差不易保證。零件形狀不規則，相對不好裝夾，車削工件最下面（平面度為0。2mm）時，需要做工裝。
綜上所述，扇形框零件加工難點主要為鑄鋁的斷續車削、尺寸的測量、工件的裝夾及防止或減小變形。
2. 解決方案
鑄鋁的塑性好、粘性大，切屑和刀具表面摩擦力大，車削時容易造成鋁切屑粘刀。ZL104為Al-Si合金，耐磨性好，因此刀具要耐磨。粗車餘量大，背吃刀量大，切削時間長，要求切削刀具鋒利，同時又要有較好的耐磨性和較高的加工效率。綜合考慮刀具的耐磨性和鋒利性，使用YG6X 硬質合金車刀較好。精車時使用高速鋼（W6Mo5Gr4V2）車刀，切削更順暢輕快，減小切削力和切削熱的產生，控制工件切削變形。同時這兩種刀具的抗振效能也比較好，能夠滿足斷續切削的要求。
（1）刀具幾何形狀主要引數的確定
YG6X粗車刀，主偏角根據車削位置不同分別取45°和90°。由於工件毛坯砂眼處的堅硬物質易使車刀崩刃，綜合考慮車刀的強度和鋒利性，前角取20°～ 25°，后角取6°～ 8°。這樣車刀鋒利，減小了切削力，又不易引起振動，同時又有較好的強度；並且前、後刀面刃磨得要儘量光滑。容屑槽寬15mm以上（儘可能寬大），接近開放式卷屑槽，這樣能夠減小切屑流出時的塑性變形，減小流動摩擦，使進給力不會因為切屑的堆積、擠壓產生較大變化，而使切削不平穩。刃傾角取大約﹣15°，目的是為了在斷續切削過程中，使刀具逐漸切入和切出，儘量減小因衝擊而引起的振動。
高速鋼精車刀，克服精加工變形，是保證幾何公差的關鍵。為了減少工件變形，儘可能減小徑向切削力和切削熱的產生，精車時儘量選用大前角、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°，主要為減少副切削刃與工件之間摩擦產生的熱量。刃傾角取0°，以減小徑向切削力為主，因此不考慮切屑流向。儘管精車時吃刀量很小，但容屑槽仍開得較大，避免因排屑不順暢，切屑產生堆積。刀尖圓弧0。4mm左右，要大於進給量，利於降低表面粗糙度值。前刀面儘量磨得光滑些，以減小刀具與切屑的摩擦。手工刃磨後，用油石鐾切削刃及刀尖圓弧，降低刀具切削部分的表面粗糙度。
（2）切削用量的選擇
粗車時，切削速度取150m/min，吃刀量2～3mm，進給量0。4mm/r ，並在工件表面塗抹機油，使切削順暢，但在切削熱的作用下，機油會冒煙並伴有刺鼻氣味，對空氣汙染嚴重。後採用幹車削，並加大切削速度至200m/min，利用產生的熱量使工件與刀具之間的切削層面處於微熔軟化狀態，以此減小切屑與前刀面之間的摩擦。起初切削還算穩定，但是車削一段時間後，不僅前刀面上出現積屑瘤，而且在後刀面上積聚出很硬的鋁瘤，並牢牢的冷焊在後刀面上，使后角明顯變小，切削刃變鈍，切削抗力明顯增大。如果繼續增加切削速度，由於旋轉半徑較大，又為不對稱形狀，工件會產生很大的離心力，另外切削熱太大容易造成薄壁零件變形，而且斷續切削產生的衝擊明顯加大，於是車削時可以在工件表面刷乳化液，效果較好，但是費力麻煩。後來透過自制滴注乳化液的裝置，其原理與醫用打點滴的裝置類似，效果很好，既省力又幹淨，最佳化後的切削速度取180m/min。加工效率明顯提高。粗車時吃刀量不易太大，一般＜5mm，否則斷續切削衝擊力太大，切屑擠壓在容屑槽內不易流出，增加進給抗力。
精車時要儘量減少切削熱，所以各切削用量選得較低。切削速度取80m/min，吃刀量0。2～0。4mm，進給量0。1～0。2mm/r。由於矽鑄鋁對高速鋼產生的磨粒磨損明顯，所以不適合高速車削。
（3）工裝
為實現工件在垂直方向的定位，立車裝夾時需要做4塊弧形墊塊（見圖2），材料HT200，中間留有起吊用的通孔，下面的方槽用來固定弧形墊塊。弧形墊塊用大平面磨床將兩面見光，做到高度一致，以保證定位精度。並且在固定弧形墊塊時，要先在工作臺面上水平推拉幾次，以保證下端面和工作臺面貼合嚴密，減小安裝誤差。墊塊透過壓板、螺栓及墊鐵等附件固定在工作臺上。安裝位置可以透過工作臺面的同心圓刻線與鋼板尺配合，很容易確定。固定後，用百分表檢查弧形墊塊上端面的圓跳動和平面度。在以後的生產中，為了工裝更合理，在弧形墊塊兩端面上還開了幾道溝槽，利於貼合機床轉回檯面和工件表面。
圖2 墊塊
（4）測量
測量零件φ5 000mm尺寸時，工件需在工作臺上加工完畢尚未移動時測量（見圖3）。用內測千分杆測出內徑D1，再用卡尺測得壁厚尺寸H，這樣工件外徑為d1＝D1＋2H。由於是單件生產，需要加測量用對稱塊。對稱塊的位置、車削餘量及材料要合適。該零件需加3個對稱塊，並且認為對稱塊不發生變形，測得3個尺寸不一致，是由於工件變形引起。在後來該產品的車削加工時，將2件扇形框零件一起車削，可對稱放置，方便了該測量方法的使用。
圖3 工作臺上測量工件
尺寸校驗如圖4所示，已知工作臺外徑尺寸d（透過鐳射測量所得），藉助車床X軸座標和百分表，測得工作臺外圓與工件外圓X軸座標差為t1－t2，可得工件外徑為 d1 ＝d－（t1－t2）。注意百分表一定要對準車刀中心高，也就是直徑處，否則測得座標差值偏大，所得尺寸不準確，即 | t1－ t2|＜| t1＇－ t2＇|，這種方法測量準確快捷。
圖4 尺寸校驗
（5）車削工藝路線
車削工藝路線按照下面幾個步驟進行。
1）
制定合理的工藝路線。粗車前的毛坯件經過人工時效處理消除鑄造應力。因生產需要較急，第一次單件生產加工時只用了粗車人工時效精車工序。在精車時，儘管優化了切削用量和車削路徑，在每次檢查內外圓變形量時，都超過了0。1mm，給最後幾何公差的保證帶來了不利影響。為減小應力變形對加工最終尺寸的不利影響，提出工藝改進，最後確定較合理工藝安排應為 ：粗車人工時效半精車人工時效 精車。
2）
粗車（見圖5）。先以毛坯面為粗基準，車出A面作為精基準，再對整個零件粗車全形，這符合精基準選擇原則。為降低定位面A面加工的表面粗糙度值，最後一刀時，適當降低切削用量，並在工件表面塗抹適量煤油與機油混合物，實踐證明效果較好。再以毛坯面定位時，毛坯面與床面間隙處要塞以銅皮，儘量消除大面積接觸不實，以防止振動。粗車時留工藝夾頭“G”，以方便裝夾。粗車後夾頭要去除，防止精車時因夾頭的去除增加應力變形，給精車帶來更多困難。由於鑄件毛坯的表面很粗糙，車第一刀時為避免刀尖接觸其粗糙的表皮硬層，所以第一刀要合理加大切削深度。儘管是粗車，在粗車過程中也要經常放鬆壓板，讓工件自由變形，釋放應力，並要多次調整壓板，以保證各面均勻留加工餘量5mm。鑄造殘餘內應力，在粗車去掉大量材料後，零件會發生較明顯的變形。一般情況下，車內圓時，工件兩端會向內變形，車外圓時，工件兩端會向外變形，而切削熱應力使工件變形的方向正好相反。如果單從這方面考慮，粗車時，切削熱應力有利於抵消鑄造應力引起的工件變形。由於粗車時夾緊力較大，工件會有軸向彈性變形，彈性回覆後引起的誤差很小，會在以後的工序加工中得以補償。由於轉速較高，單件生產時需加平衡塊，否則有可能影響機床主軸迴轉精度。
3）
半精車。使用高速鋼，克服加工變形，是保證幾何公差的關鍵。利用弧形墊鐵，先將定位基準A面車出，而後車出全形，各面均勻留2mm精車餘量。半精車時可模擬精車加工，優化出合理的加工路徑和切削用量，並檢測工件在不同車削條件下產生的變形量，為精車工序做參考準備。加工路徑對加工過程中殘餘應力的分佈趨勢產生作用，根據被加工材料儘可能對稱分佈的道理，確定加工順序為：ADBFCE（見圖5）。在檢查變形量時，用百分表壓工件一端，然後鬆開該端壓板，觀察變形方向及大小。在反覆倒壓板的過程中，要先倒兩端，最後倒中間，防止工件在此過程中位置發生變動。為防止工件兩端在車刀出入時產生振動和彈性變形，在工件兩端增加輔助支撐，其結構如圖6所示。只要用壓板頭部抵在工件後面靠實即可。另外用銼刀在工件入刀、出刀處銼出45°倒角，可明顯減小入刀與出刀時的衝擊。
圖5 粗車示意
圖6 工件兩端增加支撐
1-螺母 2-墊片 3-壓板 4-螺桿 5-筒形墊鐵 6-T型螺母
4）
精車。為了車後工件表面美觀，不易用乳化液，因為用後工件表面會變灰色；鑄鋁粘刀，容易產生積屑瘤，影響工件表面粗糙度，因此精車時在工件表面刷適量煤油與機油混合物，效果很理想。工件放在弧形墊鐵上時，儘量放平擺正後，用塞尺檢查與弧形墊鐵貼合面有無微小縫隙，若有，用薄銅皮或者薄紙片塞實，再將工件四面用壓板頂住，車出定位面A面，翻過來以A面定位車其他面。車削過程中吃刀量要逐刀減小，並且逐刀變換車削位置。各面車削順序原則是：車一刀某面，第二刀儘量車這個面的對立面。例如該零件車完一刀F面後，下一刀應該車B面。其目的就是為了減小因變形引起的誤差。車B面時（見圖7），壓在A面的壓板壓力要合適，既要固定住工件，又不能讓工件發生彈性變形。因此，壓板壓力要用力矩扳手嚴格控制。實際工作時是依經驗靠手感控制力矩大小。在壓板與工件接觸面上墊以鋁塊，這樣既可以保護A表面不被壓傷，又可以增大受壓面積，防止工件因受壓發生彈性變形。
圖7 精車B面
1-支撐 2-彈簧墊圈 3-壓板 4-鋁墊塊 5-弧形墊鐵
5）
觀察該零件並分析。其C面與E面的根部R處，厚度相對較厚，該處在鑄造冷卻時應該最慢，即使工件經過去應力時效，仍然會有殘餘應力，此面易先車出，讓其釋放潛在的變形。另外，保證該零件幾何公差的關鍵是B面與A面，這兩個面最後車出比較合適。綜合以上因素，確定先精車工件的內形面，並將F面一併車出，控制尺寸為φ（4 440±0。2）mm。A面留0。4 ～0。5mm，B面留0。3 ～ 0。4mm餘量。以D面作為定位基準，利用工裝，用壓板頂工件四面，車成A面；再用壓板輕壓A面，將B面車至尺寸。實際工件車削完畢後，工件兩端頭部直徑變化接近0。08 mm，主要因為這兩個部位距離支撐較遠，剛性差，車刀在出入工件時，工件兩端有微量彈性變形，並且表面有振痕，解決辦法是兩端加長了大概5°所對的弧長（見圖1），加工完成後由銑削去除。
精車A面通常安排在下午進行，其道理是機床透過上午的運轉和工作，機床溫度與環形導軌油溫已趨穩定，工作臺面穩定。另外精車進給過程中不易再調節主軸轉速，因轉速的變化會引起導軌油膜厚度的變化，其對工作臺浮動也有影響。最後零件經檢驗員用鐳射跟蹤儀精密測量，達到了圖樣要求。
3. 結語
由最終測量結果得出，採用以上工藝路線和加工方法，選擇的刀具和切削引數，可以滿足設計圖樣尺寸的要求，解決了該零件的加工變形的問題。該零件的加工方法提升了大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件製造技術水平，為以後加工類似零件積累了寶貴經驗。
本文發表於《金屬加工（冷加工）》2020年第11期第61~64頁，作者： 天津航天長征火箭製造有限公司高顯勝、周揚、李澤宇、王龍，原標題：《大型非封閉圓薄壁鑄鋁合金零件車削加工》。
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