鋁合金復(fù)雜特征薄壁零件加工變形控制技術(shù)

姚建邦

（阜陽工業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，安徽 阜陽 236000）

鋁合金零件具有復(fù)雜的形狀，對其形態(tài)有很高的要求，并且橫截面尺寸較大，造成零件加工剩余量較大，降低了鋁合金零件的剛度[1]。同時(shí)，由于加工變形技術(shù)較差，在受到切割力、設(shè)備振動等因素影響，容易導(dǎo)致零件發(fā)生變形，從而影響鋁合金零件的精確度。

1 鋁合金薄壁零件加工變形控制技術(shù)的影響因素

鋁合金具有較低的變形應(yīng)力，加工過程中容易出現(xiàn)碎屑。較低的模量極易導(dǎo)致發(fā)生較大的彈性形變，對加工鋁合金零件表面的光滑度和零件尺寸準(zhǔn)確度有很大的影響。通過切割技術(shù)加工后，零件截面的形變導(dǎo)致零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力位置分布發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)不能恢復(fù)的形變。

在零件加工技術(shù)中不合理的技術(shù)參數(shù)，例如較大的切割力容易導(dǎo)致零件發(fā)生大幅度的形變，影響零件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。切割時(shí)由于切割熱應(yīng)力與切割抵抗力的協(xié)同作用，可能會引起零件發(fā)生形變。同時(shí)，鋁合金薄壁零件較差的剛性，加工過程中零件彈性形變?nèi)菀桩a(chǎn)生。夾緊力和支撐力的作用點(diǎn)位置不當(dāng)，也會引起附加的作用力[2]。

如果受力不均，容易造成鋁合金薄壁發(fā)生擠壓形變，也可能導(dǎo)致加工零件發(fā)生移動，進(jìn)而影響零件的精確度。薄壁零件切割加工時(shí)，豎直切割方法的選用對于零件腹板的準(zhǔn)確加工有一定的影響，水平切割方法的選用則影響著側(cè)壁的加工準(zhǔn)確度。此外，加工機(jī)床與校驗(yàn)精度、零件剛度、加工溫度、切割工具的磨損程度和冷卻情況等均有密切的聯(lián)系。

2 鋁合金薄壁零件加工變形控制技術(shù)設(shè)計(jì)

由于大部分鋁合金零件的形態(tài)不規(guī)則，在加工時(shí)不能做到放平加工，所以要設(shè)計(jì)特定的技術(shù)樁進(jìn)行零件的支撐。技術(shù)樁自身會受到作用力的作用而產(chǎn)生形變，通常不可以作為標(biāo)準(zhǔn)。在零件加工過程中，技術(shù)樁需要貫穿零件的上下部。

鋁合金零件加工中，一般利用球形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考，輔助技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也是不可或缺的。由于大多數(shù)加工的零件設(shè)計(jì)多個(gè)位置，如果零件位置不穩(wěn)定，零件的準(zhǔn)確度也難以達(dá)到零件標(biāo)準(zhǔn)。大型的鋁合金薄壁零件在切割過程中通常利用“2X2Y4Z”標(biāo)準(zhǔn)方法，其基于X、Y軸上設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)板塊。

加工時(shí)利用較遠(yuǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)板塊作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，較勁距離的標(biāo)準(zhǔn)板塊作為輔助核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，此兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)板塊的直線度應(yīng)不超過0.01mm。加工流程為：去除加工剩余量的粗加工，以及獲得精確加工的精加工。在每步加工完成時(shí)，均要擰松技術(shù)樁上的螺絲。

由于松開的螺絲，殘余應(yīng)力發(fā)生釋放并導(dǎo)致零件產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致技術(shù)樁也發(fā)生形變[3]。為了確保標(biāo)準(zhǔn)面的精確度，在每步加工完成后，都要對技術(shù)樁進(jìn)行松開螺絲的操作，進(jìn)而釋放殘余應(yīng)力。

切割技術(shù)是鋁合金零件精確加工的重要保證，首先要按照材料以及加工特質(zhì)選用適當(dāng)?shù)那懈罟ぞ?，然后根?jù)切割加工技術(shù)和工具材料設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)。其中，常用的切割工具材料主要有金剛石、涂層、合金等，其在提高鋁合金零件表面的光滑度在實(shí)際應(yīng)用中效果十分突出。

冷卻液的采用，對減少切割工具磨損、提高零件加工質(zhì)量和效率、都有十分重要的意義。粗加工過程中，切割大局直徑和需求量較大，容易生成切割熱量，從而提高切割刀具的磨損速率。

冷卻液的應(yīng)用，可以降低加工環(huán)境的溫度，主要的冷卻液有離子型冷卻液或4%的乳化液。由于切割刀具耐熱性較好，通常不需要使用冷卻液；在使用時(shí)，需要不斷地澆注，以免導(dǎo)致受熱不均，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂紋，從而損壞切割刀具。精準(zhǔn)加工過程中，冷卻液的可以有效地降低零件表面的粗糙程度和提升零件的加工精確度[4]。

在鋁合金加工時(shí)，選擇冷卻液在一定程度上可以達(dá)到很好的實(shí)際效果。在切割過程中選用合適冷卻液的耗能主要利用在形變功率、鋁合金材料與碎屑間的摩擦耗能。在實(shí)際應(yīng)用中，冷卻液的潤滑性能越高，切割力的減少也越為明顯，如表1所示。

表1 冷卻液對于切割力降低率的影響

CAM軌跡設(shè)計(jì)是零件加工準(zhǔn)備過程的關(guān)鍵，其質(zhì)量對零件加工周期和確保零件加工效率具有十分重要的意義。其中，精加工選用固定的軸輪切割工具，并且工具有一定的方向。在切割工具發(fā)生移動時(shí)需要改變切割方向，例如鋁合金零件的側(cè)壁加工時(shí)，必須選用可變軸進(jìn)行切割，即使用多軸切割加工。

在加工鋁合金引擎蓋部件時(shí)，該部件的加工要求較高，針對部件上的孔，切割工具不可以直接跳過，否則軌跡會在孔的下緣構(gòu)成圓形角。

為了保證切割軌跡保持平穩(wěn)，可形成過渡曲面，并連接引擎蓋，進(jìn)而確?？拙壍臉?gòu)成質(zhì)量[5]。加工方法利用定軸切割，驅(qū)動方式多為曲面方式進(jìn)行驅(qū)動，此方式不會出現(xiàn)過度切割現(xiàn)象，切割刀具軌跡正常。

所以在加工鋁合金引擎蓋時(shí)具有很高的技術(shù)要求，必須保證軌跡平穩(wěn)，盡可能地較少切割刀具的波動。引擎蓋的曲面和邊緣應(yīng)單獨(dú)構(gòu)成切割軌跡，以使切割工具軌跡穩(wěn)定變化。在加工時(shí)如果涉及不到的零件部位，例如內(nèi)圓角，則需要利用清根切割驅(qū)動方法進(jìn)行切割。

3 結(jié)語

結(jié)合鋁合金零件的加工變形控制技術(shù)的影響因素以及設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，總結(jié)了利用有限元研究方法對零件加工進(jìn)行控制加工形變。不但可以提高零件加工的生產(chǎn)效率，而且能夠保證鋁合金薄壁零件的加工精確度，對于其他行業(yè)的加工控制變形也有著一定的指導(dǎo)作用。

[1]王民,劉宇男,孫國智,等.初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削殘余應(yīng)力對薄壁件加工變形的影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,43(8):1141-1147.

[2]何澤地,田東寧,楊金川,等.薄壁球殼真空吸附裝夾變形力學(xué)分析與控制[J].兵工學(xué)報(bào),2017,38(7):1409-1415.

[3]王忠平,張曉鴻,陳靜青.基于生死單元法的鋁合金薄壁型材銑削有限元模擬[J].輕合金加工技術(shù),2017,45(4):41-46.

[4]趙盼,趙剛要,張冉陽,等.芯模轉(zhuǎn)速對鑄態(tài)7075鋁合金強(qiáng)力熱反旋筒形件壁厚分布的影響[J].熱加工工藝,2017,08(11):159-162.

[5]李軒穎,徐雪峰,王繼,等.基于薄壁環(huán)壓縮的鋁合金管材應(yīng)力-應(yīng)變行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2017,27(10):2020-2028.