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摘 要：本文以一个内部处于退火状态的表面经硬质阳极氧化的铝合金零件的加工实例，分析了该类零件加工中容易碰到的问题、应该采取的措施，以及能达到的效果。
关键词：外硬内软；阳极氧化；铝合金；退火；车削；加工
有一个外硬内软的零件，主体材料为2A11铝合金，中间嵌入一个紫铜环。主体部分硬度要求为60～80HBW，锥面和右端面要求硬质阳极氧化处理，表面硬度400HV以上，其余表面允许保留阳极氧化膜。零件要求在室温条件下，存放期限20年以上。
研制阶段该零件的工艺流程为：冷挤压主体部分 → 车槽 → 嵌紫铜环 → 镗内孔 → 精车外形 → 阳极氧化 → 喷漆 → 检验入库。
使用以上工艺加工的零件，在解剖检查时发现部分零件的主体与紫铜环之间的缝隙里进入了表面处理的酸碱溶液。紫铜环与主体之间为未经钝化处理的铜铝结合面，进入酸碱溶液之后，主体表面更容易腐蚀，此缺陷严重影响零件的保存期限。
由于紫铜比主体的硬度高，嵌入紫铜环时，主体在轴向伸长量大于紫铜的伸长量，造成紫铜两侧面与主体贴合不严密，在阳极氧化前处理阶段的酸碱溶液非常容易进入紫铜环两侧的缝隙。加上阳极氧化前使用手工涂抹工业蜡保护紫铜环，效率很低，且不能保证每个零件的紫铜环及缝隙涂抹充分，阳极氧化的低温与电流引起的局部高温使工业蜡密封性降低，造成酸碱溶液进入紫铜环两侧的缝隙。要彻底解决该问题，必须先进行阳极氧化，再嵌入紫铜环。
改进后的工艺如下：冷挤压主体 → 精车锥面和右端面，车槽 → 阳极氧化 → 嵌紫铜环 → 镗内孔 → 精车外圆、车螺纹 → 清洗 → 喷漆 → 检验入库。
嵌紫铜环会引起内孔变形，所以冷挤压时，内孔必须留余量，增加镗孔工序。孔深精度要求较高，如果孔底与孔口端面两次装夹加工完成，则由于装夹误差的原因，大批量生产将难以保证尺寸，因此选择在镗孔工序用同一把刀将孔底和孔口端面加工出来，由机床精度保证孔深尺寸。
精车外形工序采用的是：使用左端面定位，气动夹具涨紧内孔，先用YG8的硬质合金车刀车外圆，再用W18Gr4V切断刀切槽，最后用W18Gr4V的外螺纹车刀车螺纹。在生产途中出现了以下问题：
1 外圆刀与镗孔刀很容易磨损，加工几十件产品，刀具就会出现缺口，而且缺口急速扩大，很快刀具就无法继续使用了。
2 出现一个圆周凸起的筋，在加工二十件左右，凸起的高度超出设计要求，影响零件的使用性能，不能继续加工。
3 加工螺纹时出现螺纹通规能完全通过时，螺纹止规能旋入7～8扣丝，不符合检验标准，不能继续加工。
针对以上问题，分析了毛坯的特性：毛坯材料为2A11并处于退火状态，硬度只有60～80HBW，而表面由于经过硬质阳极氧化处理，氧化膜厚度30～100微米，表面硬度400HV以上。因此：在车外圆和镗孔时，阳极氧化膜与刀具接触的是一个相同的点，阳极氧化膜就像一个刀口，造成刀具边界磨损非常严重。这就是外圆刀、镗孔刀容易出现缺口的原因。
而在锥面上的切削则造成了刀具的后刀面磨损，加上该工序是采用气动夹具装夹，刚性不够。刀具与锥面接触时受到高硬度的阳极氧化膜的排挤，夹具的弹性套变形，势必造成一定的让刀现象，当刀具继续进给，挤破阳极氧化膜之后，内部退火状态的铝合金造成的让刀量非常微小，夹具复位，刀具就会扎入工件，并会留下凸起的筋，而且这种情况随着刀具的磨损越来越严重，造成圆周凸起的筋高度不符合要求。
现场检查切削参数，发现操作工使用的是1200转/分钟的转速加工螺纹，机床是前置刀架数控车床，加工螺纹时只能从1.5×1mm的退刀槽内起刀。由于数控车床加工螺纹的原理与普通车床加工螺纹的原理不同，普通车床是通过刚性传动实现螺纹加工，不存在加、减速段问题。数控车床是通过主轴上的编码器感知主轴转速，再将采集到的转速信息传到数控系统，数控系统再计算出拖板需要的移动速度，控制拖板准确移动来加工螺纹。由于操作工使用的机床转速过高，造成螺纹刀进入工件时还没有加速到预定的移动速度，在退刀槽附近会留下1mm左右的增螺距螺纹，假设后续螺纹是合格的，则通规旋到增螺距螺纹段时，由于螺距误差的原因就会卡住，不能旋过。（见图一）通常情况下，此时操作工就会调整刀补，让通规顺利通过，这样以来，等螺距螺纹段的螺纹实际上就已经报废，造成螺纹止规可以旋入等螺距螺纹段，在增螺距螺纹段卡住，等螺距螺纹段的长度正好在7～8mm长度左右，所以止规可以旋入7～8扣丝。
（图一）
理论计算：该型号数控系统螺纹加速段长度计算公式为：
螺纹加速段长度（δ1）=■ ×（-1-lna）
该数控车床伺服系统的时间常数T=0.033秒，将导程允许误差定为0.02mm，在该数控系统操作说明书上查表得：-1-lna=2.912，如果采用1200转/分钟加工螺纹，则此时螺纹加速段长度为：
δ1=■×2.912=■×2.912=1.94（mm）
此时螺纹加速段长度大于槽宽，问题三无法避免。
如果将主轴转速降低到300转/分钟，则
δ1=■×2.912=■×2.912=0.485（mm）
如果螺纹刀下刀位置靠近退刀槽右边，可以避免问题三的发生。
针对以上三个问题分别采取了如下措施：
1 外圓刀采用YCB011/VEMW160404刀尖角为35°，刀尖圆弧半径为R0.4的立方氮化硼机夹式刀具。确保长时间加工硬度较高的零件。加工外圆使用1400转/分钟的转速。
2 镗孔刀采用YCB011/DEMW040302刀尖角为55°， 刀尖圆弧半径为R0.2的立方氮化硼机夹式刀具。确保长时间加工硬度较高的零件。镗孔时使用1000转/分钟的转速。
3 将夹紧方式改为刚性芯轴定位，活动顶尖顶紧的方式，增加工艺系统的刚性。
4 选用一种新型的水性环保切削液（SCC638C），适合加工铝合金，而且冷却润滑效果较好，并充分浇注冷却液，延长刀具寿命。
5 将螺纹车刀磨成图一所示形状，尽量靠近退刀槽右侧面下刀，使用300转/分钟的转速加工螺纹，确保螺纹刀切入工件前已加速到预定的移动速度。
采取以上措施之后，加工剩余的零件（将近5000件）没有更换过刀片，完全能够满足图纸要求。■
参考文献
1 张士林 任颂赞主编.简明铝合金手册.上海：上海科学技术文献出版社，2001.
2 郭成 储家佑主编.现代冲压技术手册.北京：中国标准出版社，2005.
3 洪慎章编著.冷挤压实用技术.北京：机械工业出版社，2005.
4 陆剑中 孙家宁主编.金属切削原理与刀具.北京：机械工业出版社，2005.
5 韩荣第编著.难加工材料的切削加工.北京：机械工业出版社，1996.
6 黄如林 汪群主编.金属加工工艺工装设计.北京：化学工业出版社，2006.
7 杨叔子编.机械加工工艺手册.北京：机械工业出版社，2004.
8 中国标准出版社编.中国机械工业标准汇编（刀具卷）.北京：中国标准出版社，1998.
关键词：外硬内软；阳极氧化；铝合金；退火；车削；加工
有一个外硬内软的零件，主体材料为2A11铝合金，中间嵌入一个紫铜环。主体部分硬度要求为60～80HBW，锥面和右端面要求硬质阳极氧化处理，表面硬度400HV以上，其余表面允许保留阳极氧化膜。零件要求在室温条件下，存放期限20年以上。
研制阶段该零件的工艺流程为：冷挤压主体部分 → 车槽 → 嵌紫铜环 → 镗内孔 → 精车外形 → 阳极氧化 → 喷漆 → 检验入库。
使用以上工艺加工的零件，在解剖检查时发现部分零件的主体与紫铜环之间的缝隙里进入了表面处理的酸碱溶液。紫铜环与主体之间为未经钝化处理的铜铝结合面，进入酸碱溶液之后，主体表面更容易腐蚀，此缺陷严重影响零件的保存期限。
由于紫铜比主体的硬度高，嵌入紫铜环时，主体在轴向伸长量大于紫铜的伸长量，造成紫铜两侧面与主体贴合不严密，在阳极氧化前处理阶段的酸碱溶液非常容易进入紫铜环两侧的缝隙。加上阳极氧化前使用手工涂抹工业蜡保护紫铜环，效率很低，且不能保证每个零件的紫铜环及缝隙涂抹充分，阳极氧化的低温与电流引起的局部高温使工业蜡密封性降低，造成酸碱溶液进入紫铜环两侧的缝隙。要彻底解决该问题，必须先进行阳极氧化，再嵌入紫铜环。
改进后的工艺如下：冷挤压主体 → 精车锥面和右端面，车槽 → 阳极氧化 → 嵌紫铜环 → 镗内孔 → 精车外圆、车螺纹 → 清洗 → 喷漆 → 检验入库。
嵌紫铜环会引起内孔变形，所以冷挤压时，内孔必须留余量，增加镗孔工序。孔深精度要求较高，如果孔底与孔口端面两次装夹加工完成，则由于装夹误差的原因，大批量生产将难以保证尺寸，因此选择在镗孔工序用同一把刀将孔底和孔口端面加工出来，由机床精度保证孔深尺寸。
精车外形工序采用的是：使用左端面定位，气动夹具涨紧内孔，先用YG8的硬质合金车刀车外圆，再用W18Gr4V切断刀切槽，最后用W18Gr4V的外螺纹车刀车螺纹。在生产途中出现了以下问题：
1 外圆刀与镗孔刀很容易磨损，加工几十件产品，刀具就会出现缺口，而且缺口急速扩大，很快刀具就无法继续使用了。
2 出现一个圆周凸起的筋，在加工二十件左右，凸起的高度超出设计要求，影响零件的使用性能，不能继续加工。
3 加工螺纹时出现螺纹通规能完全通过时，螺纹止规能旋入7～8扣丝，不符合检验标准，不能继续加工。
针对以上问题，分析了毛坯的特性：毛坯材料为2A11并处于退火状态，硬度只有60～80HBW，而表面由于经过硬质阳极氧化处理，氧化膜厚度30～100微米，表面硬度400HV以上。因此：在车外圆和镗孔时，阳极氧化膜与刀具接触的是一个相同的点，阳极氧化膜就像一个刀口，造成刀具边界磨损非常严重。这就是外圆刀、镗孔刀容易出现缺口的原因。
而在锥面上的切削则造成了刀具的后刀面磨损，加上该工序是采用气动夹具装夹，刚性不够。刀具与锥面接触时受到高硬度的阳极氧化膜的排挤，夹具的弹性套变形，势必造成一定的让刀现象，当刀具继续进给，挤破阳极氧化膜之后，内部退火状态的铝合金造成的让刀量非常微小，夹具复位，刀具就会扎入工件，并会留下凸起的筋，而且这种情况随着刀具的磨损越来越严重，造成圆周凸起的筋高度不符合要求。
现场检查切削参数，发现操作工使用的是1200转/分钟的转速加工螺纹，机床是前置刀架数控车床，加工螺纹时只能从1.5×1mm的退刀槽内起刀。由于数控车床加工螺纹的原理与普通车床加工螺纹的原理不同，普通车床是通过刚性传动实现螺纹加工，不存在加、减速段问题。数控车床是通过主轴上的编码器感知主轴转速，再将采集到的转速信息传到数控系统，数控系统再计算出拖板需要的移动速度，控制拖板准确移动来加工螺纹。由于操作工使用的机床转速过高，造成螺纹刀进入工件时还没有加速到预定的移动速度，在退刀槽附近会留下1mm左右的增螺距螺纹，假设后续螺纹是合格的，则通规旋到增螺距螺纹段时，由于螺距误差的原因就会卡住，不能旋过。（见图一）通常情况下，此时操作工就会调整刀补，让通规顺利通过，这样以来，等螺距螺纹段的螺纹实际上就已经报废，造成螺纹止规可以旋入等螺距螺纹段，在增螺距螺纹段卡住，等螺距螺纹段的长度正好在7～8mm长度左右，所以止规可以旋入7～8扣丝。
（图一）
理论计算：该型号数控系统螺纹加速段长度计算公式为：
螺纹加速段长度（δ1）=■ ×（-1-lna）
该数控车床伺服系统的时间常数T=0.033秒，将导程允许误差定为0.02mm，在该数控系统操作说明书上查表得：-1-lna=2.912，如果采用1200转/分钟加工螺纹，则此时螺纹加速段长度为：
δ1=■×2.912=■×2.912=1.94（mm）
此时螺纹加速段长度大于槽宽，问题三无法避免。
如果将主轴转速降低到300转/分钟，则
δ1=■×2.912=■×2.912=0.485（mm）
如果螺纹刀下刀位置靠近退刀槽右边，可以避免问题三的发生。
针对以上三个问题分别采取了如下措施：
1 外圓刀采用YCB011/VEMW160404刀尖角为35°，刀尖圆弧半径为R0.4的立方氮化硼机夹式刀具。确保长时间加工硬度较高的零件。加工外圆使用1400转/分钟的转速。
2 镗孔刀采用YCB011/DEMW040302刀尖角为55°， 刀尖圆弧半径为R0.2的立方氮化硼机夹式刀具。确保长时间加工硬度较高的零件。镗孔时使用1000转/分钟的转速。
3 将夹紧方式改为刚性芯轴定位，活动顶尖顶紧的方式，增加工艺系统的刚性。
4 选用一种新型的水性环保切削液（SCC638C），适合加工铝合金，而且冷却润滑效果较好，并充分浇注冷却液，延长刀具寿命。
5 将螺纹车刀磨成图一所示形状，尽量靠近退刀槽右侧面下刀，使用300转/分钟的转速加工螺纹，确保螺纹刀切入工件前已加速到预定的移动速度。
采取以上措施之后，加工剩余的零件（将近5000件）没有更换过刀片，完全能够满足图纸要求。■
参考文献
1 张士林 任颂赞主编.简明铝合金手册.上海：上海科学技术文献出版社，2001.
2 郭成 储家佑主编.现代冲压技术手册.北京：中国标准出版社，2005.
3 洪慎章编著.冷挤压实用技术.北京：机械工业出版社，2005.
4 陆剑中 孙家宁主编.金属切削原理与刀具.北京：机械工业出版社，2005.
5 韩荣第编著.难加工材料的切削加工.北京：机械工业出版社，1996.
6 黄如林 汪群主编.金属加工工艺工装设计.北京：化学工业出版社，2006.
7 杨叔子编.机械加工工艺手册.北京：机械工业出版社，2004.
8 中国标准出版社编.中国机械工业标准汇编（刀具卷）.北京：中国标准出版社，1998.