变形铝合金的数控车削技术

变形铝合金的数控车削技术 东北大学工程训练中心 沈阳 1 1 0 0 0 4 张立君刘悦 变形铝合金材料 由于塑性大 硬度低 弹性模 量小 导热性高 切 削散热快 熔点低 车削时存 在 下面问题 工件与刀具摩擦产生切 削热 材料 容易软化 粘在刀尖上形成 积屑瘤 不仅影响零件 表 面粗糙度 造成尺寸超差 积屑瘤堆积过大时 还会造成切削困难 易产生鳞刺 影响工件的表面 质量 由于其机械性能及特点只能采用车削 铣 削等方法来满足对加工表面粗糙度的要求 在表面 粗糙度要求较高时 车削加 工比较困难 工件刚 性 差时 只能采用更低的切 削用量 使用正常的切 削用量 零件易变形 造成圆度 圆柱度一类的形 状精度超差 材料硬度低 装夹时易出现弹性和 塑性变形影响工件表面和形位精度 1 变形铝合金的数控车削内容 在数控车床上车 削变形铝合金材料 首先对工 件 的材料 结构 精度 加 工成本等几方面进行全 面分析 在确定 机床一夹具 一刀具一工件 的工 艺 系统特性的基础上 制定加工方案 第二 确定 装夹一支撑 方案 第三 选择刀具 结构 材 料 切削 角度 第 四 确定合理的切 削用量 背 吃刀量 进给量 切削速度 第五 根据数控机 床的加工特点 合理使用相关指令 弥补普通机床 或常规数控技 术的不足 以实现高质量 高效率 低成本的数控加工技术 1 工艺方案合理制定 工艺方案 能够提 高加工效率 保证加工精度 制定工艺方案需要考 虑的是 在保证安全和质量的基础上 减少装夹和 换刀次数 优化走 刀路径 减少空走 玎 路线 合理 确定粗 精加工内容 选择合适的切削液 2 装夹方法在数控车 床加 变形铝合金 工件 快速 可靠 准确 避免产生变形的装夹方 案是数控加工的基础 可以使用软爪等方法以防止 装夹变形 安装找正费时 可以制作 号用夹具 以减 少找正时间 3 刀具在数控车床上加 工变形铝合金材 料 对 刀具材料 的性能要求不高 需要 刀具切削刀 锋利 切削轻快 以达到减小切削力 减少工件变 形 减少积屑现象 降低表面粗糙度值的 目的 高 速钢 Y G 类 Y w类硬质合金材料均能满足使用要 求 在加工表 面粗糙度值较低的工件时 加工条件 迹是螺旋线而非直线 即刀具 中心不再与所加 工孔 的中心重合 属偏心加工过程 只需一把刀具就可 以加工 出不同直径 高质量的孔 既减少 了换 刀时 间 又节省了精加工的工序 提高了工作效率 同 时 也减少 了刀库刀具 的数量和种类 降低了加 工成 本 其次 螺旋铣孔过程是断续铣 削过程 有利于 刀具 的散热 从而 降低 了因温度升高而造成刀具磨 损的风险 7 L D icl 工采用螺旋线进给G 0 2 G 0 3 格式 G 0 2 G0 3 x Y I J Z F L 其 中L为螺旋 线 圈数 例 如 用直径 1 0 mm的键槽 刀加 工直径5 0 mm的孔 工件高 1 0 mm 编程如下 2 N 1 G 5 4 X 0 Y 0 Z 3 0 M0 3 S 1 0 0 0 建立坐标系 N 2 G 0 1 Z 1 X 2 0 F 2 0 0 进给下刀位置 N 3 G9 1 G 0 3 I 2 0 Z 1 Ll l 粗铣至螺旋深度位置间距为 1 mm N 4 G 0 3 1 2 0 精铣轮廓 N5G9 0G01 X0 N6GOZ3 O N 7 M 3 0 MW 收稿 日 期 2 0 1 2 0 6 2 9 参 磊 冷 加 工 4 7 允许 也可以考虑使用P C D 材料 为了减少换刀产 生的辅助时间 最好使用专用铝合金机夹可转位 刀 具 受加工条件或工件结构限制 也可以使用焊接 式 刀具 刃磨出需要的 刀刃形状 粗车时的前角 2 0 2 5 精车时 y 2 5 3 0 为了减少刀具后刀面与工件的摩擦 应取较 大值的主后 角 粗车时选取后 角 8 1 0 精 车时选取 1 0 1 2 刃倾角一般选取 s 0 1 0 粗车时取较小值 精车时取较大值 工件 刚性差时 为 了减 少切削振动和弯曲变形 要加大 刀具的主偏角 可以选择在 8 5 9 3 精车 时 最好使用0 1 8 0 2 5 mm长度的直刃修光 刃精 车 刀 4 切 削用量在机 床及工件刚性允许时 可以使用比切 J 1 4 5 钢高3 倍左右的切削用量以提高 效率 粗车 时 如果工件刚性差 加 大背吃刀量和 进给量 会使工件产生弹性和塑性变形 影响精车 的尺寸和形位精度 精车时 在使用P C D刀具时 要使 用更低 的背吃 刀量 进给量和 更高的切 削速 度 5 其他问题利用编程技巧和指令解决常规 技术难以解决的问题 2 应用案例分析 图1 是我 中心 为材料 与冶金学院加工的拉伸试 件 材料为一种变形铝合金 材料 力学性能与L F 3 相似 该试件虽然形状比较简单 但是其拉伸部分 的尺寸 形 位精 度及表 面粗糙 度要 求较 高 材 料硬 度 强 度 低 工 件 刚性 差 拉 伸部分 只有 3 mm 车 图1 削时易弯 曲变形造成 圆柱度超差 工件尺寸细小 加工观察困难 刀具切 削部分几何角度的选择范围 小 不便于对刀 刀具安装的位 置不合适时会造成 其他 刀具 与顶尖和 尾座碰撞 毛坯是手 工锯割并 刨削成8 mm 8 mm X 3 2 mm的方形材料 无装夹余 量 需要多次调头装夹 需要制作专用夹具以避免 4 8 一争曷 冷 加 工 夹坏 已加工的螺纹大径与螺纹 采用单动 卡 盘装夹 时 安装找正费时 综上所述 该试件的切削加工 性很差 集 中体现 了变形铝合金材料 的加工特性 3 试件的数控加工内容 根据变形铝合金材料 的特性及试件的结构 毛 坯状态 精度要求 该试件的加工重点在于控制拉 伸部分的尺寸 形位精度和表面粗糙度 难点在于 避免装夹变形 切 削变形和夹坏螺纹 1 工艺方案合理的 工艺方案是数控加 工 的 基础 在 C K6 1 3 6 数 控车床 允许 最高 转速 1 6 0 0 r mi n 加工 拟定了三种加工方案 工艺方案A 粗车一端尺 寸 6 5 mm一精车一 端螺纹大径至 5 8 mm一半精车拉伸部分至 5 ram 一 加工一端螺纹一调头装夹 已加工螺纹端一车 另一 端螺纹大径至 5 8 mm一精车拉伸部分至 3 mm一 车螺纹 工艺方案B 粗车一端尺寸 6 5 mm一调头装 夹 粗车 另一端 6 5 mm一重新装夹 6 5 ram 精 车一端螺 纹大径至 5 8 mm一半精车拉 伸部分 至 5 mm 车一端螺纹一调头装夹 已加工螺纹端 一车 另一端螺纹大径至 5 8 mm一车螺纹一精车拉伸部 分至 3 mm 工艺 方案C 粗车一端尺寸 6 5 mm一调头装 夹 粗车 另一端 6 5 mm一精车一 端螺纹大 径至 5 8 mm一半精车拉伸部分至 5 mm一车一端螺纹 一 调 头装夹 已加 工螺纹端 一车 另一 端螺纹 大径至 5 8 mm一车螺纹一精车拉伸部分至 3 mm 经过分析 第一个方案只用两次装夹 换 刀次 数最少 加 工效率最高 但没有考虑粗车 另一端螺 纹大径时 对 已加工螺纹牙型及位置精度的影响 先精车拉伸部分 连接部分直径 只有 3 mm 刚 性很差 再加工另一端螺纹时易使拉伸部 分弯曲折 断 第二个方案需要装夹四次 第三个方案既保旺 了试 件的形位 精度和加 工质量 装夹次数 只有三 次 实际加工时采用该方案 2 刀具 的选择 粗车刀 该试件的尺寸细小 且需要顶尖支撑 限制 了刀头的结构 因此 粗车 刀选用Y G8 焊接式螺纹车刀刃磨成形 刀头的主偏 角 6 0 副偏角 6 0 前角 2 5 后 角 8 5 在保持刀具锋利 减少径 向 切削力的基础上 能够保证 刀具切 削部分的强度 半精车刀 选用 高速钢材料 用焊接式车 刀刃 磨成形 刀头的主偏角 r 8 5 9 3 副偏角 4 5 前角 y 0 3 0 后角 a o 1 0 A s 1 0 主 要考虑切削刀锋利 切削轻快 减少径向切 削力 并避免刀具副后 刀面对右端 圆弧的干涉 精车刀 可以选用高速钢 Y W 1 YG 3 Y G 6 等材料 条件允许可以使用金刚石 刀具 根据试件 的材料和结构 选用焊接式高速钢弹簧切 刀刃磨成 圆弧 刀 该刀头 圆弧半径R 2 mm 前角 y 0 后角 a 1 0 为了减少副后 刀面 对已加工表面的 摩擦 提高表面精度 副偏角 1 5 5 在 充分浇注 切削液 的情况 下 选 取较小 的进给 量 时 使加工表面稳定达到R 0 4 0 8 r n 螺纹 刀 选用焊接式螺纹车 刀 材料为Y G 8 3 装夹方法根据试件毛坯的形状 第一次 粗车 时采用 自定心卡盘 专用夹具 1 见图2 a 装 夹 解决 了毛坯装夹找正费时和装夹变形的问题 调头粗车时采用 自定心卡盘 专用夹具2 见 图2 b 装夹 解决 了试件同轴度精度要求和夹坏螺纹大径 的问题 车 另一端螺纹时 采用 自定 心卡盘 专用 夹具3 见图2 c 装夹 避免夹坏螺纹 满足 同轴 度精度要求 目 b C 图2 4 切削用量根据零件的材料和试件结构及 尺寸 粗车转速力 1 6 0 0 r mi n 进给量卢0 2 mm r 半精车转速n l 6 0 0 r mi n 进给量产0 1 0 mm r 背 吃刀量逐次递减 精车转速月 1 6 0 0 r mi n 进给量 产0 0 3 mm r 5 切削液防护罩的存在 为在数控机床上 充分使用切削液提供 了可靠的保证 正确使用切 削 液 在加工铝合金材料时 有利于断屑 并可 以避 免材料软化形成积屑瘤 减少零件热伸长 明显降 低零件表面粗糙度值 依据市场容易采购 费用较 低 保证加 工质量的原则 可以使用铝合金专用切 削液 能够避免精加 工时使用极压乳化切削液对零 件表面的腐蚀 其成分 由极压润滑剂 防锈剂 表 面活性 剂等配制而成 专为铝及铝合金加 工而研制 的新一代环保优质水溶性切削液 铝合金切削液提 供 了铝材加工时高速切削所要求 的优异润滑性和冷 却性 显著提高刀具 的使用寿命 降低表面粗糙度 值 即使在面对高精度等级的深孔加工应用时 依 然能够满足加 工要求 4 数控车削过程 三次装夹 需要编制三个程序 以手工编程 的 方法完成 第一个程序 钻中心孔 活动顶尖支撑 用粗 车刀两次粗车 至 6 5 m m 结束第一个程 序 第 二个程序 所 有试件一端粗车后 装夹 6 5 mm端 钻 中心孔 活动顶尖支撑 两次粗车 另一端至 6 5 ram 换半精车刀一次走刀连续车倒 角 螺纹大径 5 8 ram 拉伸部分至 5 mm 换螺 纹车 刀车一端螺纹 用 MOO 暂停指令检查螺 纹是否合格 第 三个程 序 装夹加 工完毕 的螺纹 大径 活 动顶尖 支撑 换 半精车 刀一次走 刀连续车 倒角 螺纹大径 5 8 mm 换螺纹车 刀车另一端螺纹 用 MOO 暂停 指令检查螺纹是否合格 再换半精 车刀两次走刀车过渡 圆弧 两次走刀车拉伸部分车 至 3 2 mm 换精车刀 一次走刀车过渡圆弧 拉 伸部分至图样尺寸要求 用 MOO 暂停指令检 查 3 ra m是否合格 5 注意事项 三个夹具 均为铝合金材料 为保证每