鋁合金薄壁件加工中變形的因素分析與控制方法

一般認(rèn)為，在殼體件、套筒件、環(huán)形件、盤形件、軸類件中，當(dāng)零件壁厚與內(nèi)徑曲率半徑（或輪廓尺寸）相比小于1：20時(shí)，稱作為薄壁零件。這一類零件的共同特點(diǎn)是受力形式復(fù)雜，剛度低，加工時(shí)極易引起誤差變形或工件顫振，從而降低工件的加工精度。薄壁零件因其制造難度極大，而成為國際上公認(rèn)的復(fù)雜制造工藝問題。

一、薄壁件加工變形因素分析

薄壁件由于剛度低，去除材料率大，在加工過程中容易產(chǎn)生變形，對裝夾工藝要求高，使加工質(zhì)量難以保證。薄壁類零件在加工中引起變形的因素有很多，歸納總結(jié)有以下幾個(gè)方面：

1、工件材料的影響

鋁合金作為薄壁件最理想的結(jié)構(gòu)材料，與其他金屬材料相比，具有切削加工性好的特點(diǎn)。但由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高、彈性模量小、屈強(qiáng)比大、極易產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，大型薄壁件尤為顯著。因此，在相同載荷情況下，鋁合金工件產(chǎn)生的變形要比鋼鐵材料的變形大，同時(shí)鋁合金材料具有硬度小、塑性大和化學(xué)反應(yīng)性高等性質(zhì)，在其加工中極易產(chǎn)積屑瘤，從而影響工件的表面質(zhì)量和尺寸精度。

2、毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響

薄壁件加工中的變形與毛坯內(nèi)部的初始?xì)堄鄳?yīng)力有直接的關(guān)系，同時(shí)由于切削熱和切削力的影響，使工件和刀具相接觸處的材料產(chǎn)生不能回彈的塑性變形。這種永久性的變形一旦受到力的作用就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而在加工過程中，一旦破壞了毛坯的殘余應(yīng)力，工件內(nèi)部為達(dá)到新的平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，從而造成了工件的變形。

3、裝夾方式的影響

在加工中夾具對工件的夾、壓而引起的變形直接影響著工件的表面精度，同時(shí)如果由于夾緊力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，也將影響工件的加工精度。其次，由于夾緊力與切削力產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，也將引起工件殘余應(yīng)力的重新分布，造成工件變形。

4、切削力和切削熱的影響

切削力是影響薄壁件變形的一個(gè)重要因素。切削力會導(dǎo)致工件的回彈變形，產(chǎn)生不平度，當(dāng)切削力達(dá)到工件材料的彈性極限會導(dǎo)致工件的擠壓變形。在切削加工過程中，刀具與工件之間的摩擦所作的功，材料在克服彈性、塑性變形過程中所做的功絕大部分轉(zhuǎn)化為加工中的切削熱，從而導(dǎo)致工件的各部分的溫度差，使工件產(chǎn)生變形。

5、加工路線的因素

金屬材料在加工過程中由于受到機(jī)械力和切削熱等因素產(chǎn)生的永久性變形一旦受到鄰近部分金屬材料的阻擋就勢必產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此殘余應(yīng)力對工件變形的影響很大程度上取決于加工路線的選取。路徑不同，產(chǎn)生的新的殘余應(yīng)力與原有殘余應(yīng)力的耦合順序和禍合效果不同，將引起工件變形的不同。

二、鋁合金薄壁件加工變形的控制途徑

1、消除和均勻內(nèi)化殘余應(yīng)力

薄壁件在加工中隨著金屬材料被切除，一方面會帶來原有殘余應(yīng)力的釋放，另一方面會在已加工表面產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，進(jìn)而會影響工件的加工質(zhì)量和精度。生產(chǎn)中，如能做到把毛坯殘余應(yīng)力降低或均勻化，則可極大程度降低工件的加工變形。目前，在生產(chǎn)實(shí)踐中，為達(dá)到此目的，采用在原材料制作中采取化學(xué)成分控制、熔煉澆鑄和擠壓成型、固溶淬火和時(shí)效處理等方法。

2、優(yōu)化刀具路徑

薄壁件加工中，走刀路徑的不同，殘余應(yīng)力將產(chǎn)生不同的作用效果。如果走刀路徑選取的不合理，在高速加工中會出現(xiàn)由于切削載荷突變，給機(jī)床、工件和刀具帶來沖擊，嚴(yán)重時(shí)會損壞。在實(shí)際加工中，刀具路徑的選取可遵循以下優(yōu)化規(guī)則：

（1）采用螺旋或圓弧進(jìn)刀方法，使刀具漸入零件，保證加工中不產(chǎn)生突變的切削力，減小刀具磨損，延長使用壽命。

（2）盡量采用順銑，以便保證加工過程平穩(wěn)、工件表面質(zhì)量好、刀具磨損小、不產(chǎn)生過切現(xiàn)象等。

（3）要保證切削的連續(xù)平穩(wěn)性，切削速度要連續(xù)，不要有大幅度的突變。

（4）選取小的軸向切深量，以減小切削力，降低切削熱，保障排屑的通暢。

（5）保證切削方向的改變時(shí)平穩(wěn)逐漸的，刀具軌跡應(yīng)避免尖角，課采用圓弧或其它曲線來代替。

3、改進(jìn)裝夾方式

夾具是在加工中對工件起定位和夾緊作用的裝置，而在影響薄壁件加工變形的諸多因素中，裝夾應(yīng)力引起的變形約占20%-60%。因此，鋁合金薄壁件高速加工中，夾具除了應(yīng)滿足夾緊和定位的基本要求外，還應(yīng)考慮其剛性差、易變形等因素。目前，在國外發(fā)達(dá)國家，整在使用電控永磁吸盤裝夾，它在高速加工中具有相當(dāng)重要的作用。

4、選擇合理的切削參數(shù)

高速加工中的切削三要素（切削速度、背吃刀量、每齒進(jìn)給量）對被加工工件的質(zhì)量和精度有著直接的影響。

在高速切削加工中，隨著切削速度的增大，切削力減小，切削溫度升高，摩擦系數(shù)減小，但當(dāng)切削速度Vc>1500m/min時(shí)，將會增加切削力，增大機(jī)床功率消耗。在薄壁件數(shù)控加工中，為解決易變形問題提出了基于四步（確定邊界點(diǎn)、確定關(guān)鍵區(qū)域、修改切削參數(shù)、修改刀位文件）的進(jìn)給量局部優(yōu)化法。在切削參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)該盡量選取小的每齒進(jìn)給量和切削深度，可以通過提高切削速度的方式提高進(jìn)給速度。每齒進(jìn)給量越小，工件表面殘留高度越低，表面粗糙度值越低。所以在高速切削中，提高零件表面質(zhì)量的一個(gè)有效途徑是減小進(jìn)給量，但也不宜過小，進(jìn)給量過小，會增加刀具刃口圓弧半徑對工件加工表面的擠壓，增加冷硬程度和殘余應(yīng)力。

（作者單位：沈陽市蘇家屯區(qū)職業(yè)教育中心）