鋁合金薄壁件加工過程變形控制

周旭陽

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，鋁合金材料至關(guān)重要，鋁合金材料具有比強(qiáng)度高，而且具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，應(yīng)用最多的是在航空工業(yè)中。在航空工業(yè)的制造技術(shù)快速發(fā)展的背景下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金工件逐漸整體化，成為了一種趨勢(shì)，鋁合金結(jié)構(gòu)件是由整塊胚料加工成型的，并且需要的加工量較大，較為精細(xì)，大多數(shù)為薄壁件。例如大多數(shù)的骨架工件，經(jīng)常采用大塊毛坯直接挖空來作為主承力的構(gòu)件，制作薄壁件所切除的材料高達(dá)86%。相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方法而言，對(duì)鋁合金材料進(jìn)行加工時(shí)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)工件變形。本篇文章主要是從工藝支撐和切削技術(shù)等多方面研究了鋁合金薄壁加工變形的問題，提出了解決措施。

1 鋁合金薄壁工件加工變形控制技術(shù)的影響因素

影響薄壁件加工出現(xiàn)變形的因素包括鋁合金自身特征、技術(shù)參數(shù)、受力不均以及夾裝的方式等。經(jīng)過實(shí)踐研究可分析出，造成加工變形的過程如下：

1.1 鋁合金的自身特征影響著薄壁工件的變形加工

相對(duì)于鋁合金自身而言，并沒有較強(qiáng)的變形應(yīng)力，當(dāng)受到強(qiáng)勁外力的作用時(shí)，及其出現(xiàn)變形，若在加工過程產(chǎn)生過多的鋁屑，會(huì)與加工過程的強(qiáng)勁外力相互影響，進(jìn)而致使鋁合金薄壁件出現(xiàn)變形，以此會(huì)影響到鋁合金薄壁件的精度、尺寸大小以及表面的光滑度，另外，加工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也是會(huì)影響薄壁件的內(nèi)部與截面的，在殘余應(yīng)力的作用下，會(huì)造成鋁合金內(nèi)的原子出現(xiàn)偏移的狀況，進(jìn)而所形成的形變無法修復(fù)，間接使鋁合金薄壁件的精度出現(xiàn)誤差。

1.2 鋁合金薄壁件加工的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

若工件加工的技術(shù)所參考的技術(shù)參數(shù)不合理，會(huì)嚴(yán)重影響鋁合金薄壁件變形的程度，比如，加工時(shí)需要的切削力較大，所用刀具會(huì)出現(xiàn)磨損，使鋁合金薄壁件產(chǎn)生形變的程度增大，降低了薄壁件的質(zhì)量，使其達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，以至于工件的尺寸達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，存在偏差。除此之外，鋁合金薄壁件在加工中抵抗力與熱應(yīng)力兩者頻繁相互影響，再加上技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理，鋁合金薄壁件發(fā)生變形的可能性很大。鋁合金薄壁件有著剛性弱、易變性的缺點(diǎn)，若用力過大使用夾具，會(huì)致使支撐力作用點(diǎn)與其他的作用點(diǎn)所設(shè)置的參數(shù)不恰當(dāng)，進(jìn)而會(huì)生產(chǎn)附加的作用力，造成薄壁件發(fā)生變形，簡單來說對(duì)鋁合金薄壁件加工就是刀具和鋁合金工件之間的作用，兩者會(huì)在加工過程中出現(xiàn)拉伸、擠壓的問題，此問題也是會(huì)使鋁合金薄壁件產(chǎn)生變形且無法修復(fù)。

1.3 受力不均，容易產(chǎn)生形變

在對(duì)鋁合金薄壁件加工的過程中，薄壁件若受力不均勻，會(huì)因受到作用力施壓，出現(xiàn)變形，進(jìn)而使工件出現(xiàn)位移現(xiàn)象，對(duì)薄壁件的精度帶來不利影響，另外在加工的過程中，薄壁件的精度還會(huì)受到所選擇的切削方向所影響，所選擇的不同加工方向是造成工件變形的主要原因，由于鋁合金薄壁件的厚度并不厚，無論選取的夾具是什么類型的，在任何方向都是會(huì)生成夾緊力的，進(jìn)而薄壁件會(huì)受到不同程度的壓力，從而使側(cè)壁件在加工時(shí)的精度受到影響，并且方向的不同，溫度冷卻、切削工具在加工時(shí)的磨損、薄壁件加工時(shí)的摩擦與剛度、機(jī)床校驗(yàn)對(duì)的精確度都是會(huì)造成鋁合金薄壁件發(fā)生變形的因素。除此之外，若實(shí)際的加工未應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，會(huì)使工件的散熱速度增快，受力不均勻，使在加工過程中薄壁件出現(xiàn)變形。

1.4 刀具對(duì)工件的作用

第一，切削熱。在切削操作中，切削熱主要是由各種變形和刀具與工件所產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)化而來的，可使工件的各個(gè)部位的溫度不均等，進(jìn)而發(fā)生變形。

第二，切削力。刀具切削力作用在工件的表面使其恢復(fù)彈性之后平整度不高。因?yàn)楸”诩膬?nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以加工時(shí)削用量不能相同。并且位置的不同壁厚是不均勻的，以至于在削力作用下加工各個(gè)位置的變形量不同，在工件的表面使其恢復(fù)彈性之后壁厚存在誤差。

2 鋁合金薄壁工件加工變形控制技木設(shè)計(jì)

2.1 合理的設(shè)計(jì)工藝支撐，減少薄壁件加工的變形

在實(shí)際的薄壁件加工過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的薄壁件的外形沒有規(guī)則性可言，這對(duì)工藝支撐的設(shè)計(jì)有一定的要求來做支撐力，對(duì)其加工時(shí)不能放平，所以工藝支撐需要特殊設(shè)計(jì)，來滿足薄壁件的支撐條件，順利完成施工。所以，要全面考慮加工受熱與應(yīng)力的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)合理有效的工藝支撐，確保鋁合金薄壁件在受到作用力時(shí)自身不會(huì)因此發(fā)生變形。工藝支撐因?yàn)樵趯?shí)際的加工設(shè)計(jì)時(shí)沒有可參考的標(biāo)準(zhǔn)，但工藝支撐要在薄壁件的下方進(jìn)行貫穿，因此需要結(jié)合薄壁件的需求對(duì)工藝支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋁合金薄壁件在加工時(shí)所參考的依據(jù)可能會(huì)采用球形標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮薄壁件的情況，制作技術(shù)輔助支撐發(fā)揮輔助作用也是很有必要的，固定工件所在的位置。因?yàn)榇蟛糠值谋”诩庸ば枰啻无D(zhuǎn)換位置，若工件缺少固定的位置，所進(jìn)行加工的薄壁件位置有很大的可能性無法達(dá)到要求。在通常情況下加工方式選取的為“2X2Y4Z”，在正式加工前需要在X和Y軸上設(shè)置數(shù)據(jù)坐標(biāo)，在加工的過程中，要將遠(yuǎn)技術(shù)坐標(biāo)加以利用，以此為參考技術(shù)坐標(biāo)，輔助坐標(biāo)可選取近距離的坐標(biāo)設(shè)計(jì)板塊，加工完成后實(shí)施薄壁件核驗(yàn)操作時(shí)，近距離和遠(yuǎn)距離之間的直線度要小于0.01mm。另外，要有序的進(jìn)行加工，第一步是粗加工，先將薄壁件加工所剩的余量清除掉。第二步是精加工，前提是要考慮薄壁件的需求，需要格外注意的是按照技工的實(shí)際情況來對(duì)工藝支撐上的螺絲進(jìn)行擰松操作，對(duì)殘應(yīng)力進(jìn)行消除所釋放造成工件變形，為薄壁件的精確度做保障。

2.2 合理的設(shè)計(jì)切削技術(shù)

切削技術(shù)是加工過程中的關(guān)鍵，要將加工工件的外形與鋁合金材料綜合考慮 ，根據(jù)實(shí)際狀況選取切削工具，然后再綜合考慮加工中受熱、應(yīng)力與摩擦力，根據(jù)實(shí)際狀況選取切削工具，以加工所用工具材料和技術(shù)為參考依據(jù)，選擇參數(shù)，加工鋁合金，以上所述的技術(shù)與要點(diǎn)都會(huì)對(duì)鋁合金薄壁件的光滑度帶來嚴(yán)重的影響。借助于高速切削對(duì)薄壁件進(jìn)行技工具備多種優(yōu)點(diǎn)，包括低溫切削、精度高、效率高，在加工過程中切削的速度越快會(huì)使切削溫度與切削力增加的越快，因此在鋁合金薄壁件加工時(shí)，會(huì)因?yàn)榧庸げ牧媳砻娉霈F(xiàn)軟化現(xiàn)象而產(chǎn)生黏滯狀的問題，這種問題在對(duì)工件形狀產(chǎn)生影響的同時(shí)還會(huì)使工件出現(xiàn)變形，摩擦系數(shù)會(huì)在切削變薄的狀況下逐漸縮小，所生成的切屑也會(huì)在此過程中順帶一些熱量，致使薄壁件在加工中產(chǎn)生了工件受熱不均勻的問題，進(jìn)而使工件發(fā)生變形，所以，在工件加工過程中需要應(yīng)用高速切削技術(shù)，避免工件的切削溫度下降，并且還會(huì)在一定程度上使工件加工周期縮短，降低工件發(fā)生變形的概率。使工件薄壁件的精度更準(zhǔn)確。

2.3 合理冷卻液的選擇

在對(duì)薄壁件進(jìn)行加工時(shí)，要科學(xué)合理運(yùn)用冷卻液，對(duì)工件加工時(shí)產(chǎn)生的溫度進(jìn)行控制，可以有效提高工件的加工質(zhì)量和加工效率，以及降低切削工具的受損程度。在工件進(jìn)行粗加工時(shí)，對(duì)其需要切削較多的材料，因此會(huì)生成較多的切削熱量，并且刀具也會(huì)受到較高的受損，這種情況就要選取的冷卻液主要目的是使鋁合金加工環(huán)境的溫度下降，正常情況選取的冷卻液類型為離子型冷卻液，需要在實(shí)際的操作過程中連續(xù)進(jìn)行添加，防止在此過程中的工件受熱不均勻，致使工件因受熱不均勻產(chǎn)生裂紋，在工件進(jìn)行精加工時(shí)，工件的表面會(huì)因應(yīng)用冷卻液變得光滑，工件加工的精度也會(huì)因此變得更高。要想有效調(diào)控工件加工的精度就要盡可能選擇適合的冷卻液，進(jìn)而降低切削時(shí)的消耗量，影響著材料與碎宵之間的摩擦力與工件變形的功率。在實(shí)際操作中，切削的減少量會(huì)受到冷卻液冷卻性與潤滑性兩大特性的影響明顯增加。在通常情況下，應(yīng)用冷卻液和切削力、切削速度之間的關(guān)系可從下表1看出。

表1 冷卻液與刀具切削力、切削速度的關(guān)系

2.4 合理對(duì)夾具進(jìn)行控制

在運(yùn)用傳統(tǒng)的方式加工薄壁件所選用的夾具，通常為平口鉗，所選取的回轉(zhuǎn)類夾具對(duì)其裝夾時(shí)的方式有自定心三爪、四爪卡盤等，在實(shí)際應(yīng)用這些夾具的過程中，加緊方向的不同所產(chǎn)生的夾緊應(yīng)力和拉應(yīng)力是不同的，加工薄壁件時(shí)會(huì)因夾緊應(yīng)力的產(chǎn)生而達(dá)到需求。不過，當(dāng)卸下工件與夾緊應(yīng)力之后，會(huì)受到彈性恢復(fù)兩種作用力，工件會(huì)有存在收縮現(xiàn)象，致使工件發(fā)生變形，為對(duì)此問題做有效的處理，可在粗加工環(huán)節(jié)中存在加工余量時(shí)使用平口鉗裝夾，在精加工環(huán)節(jié)中，可根據(jù)實(shí)際的加工狀況，選取合適的夾具降低工件變形的程度，進(jìn)而滿足設(shè)計(jì)要求。但需要注意的是精加工環(huán)節(jié)所使用工裝、專用夾具需要改變，降低裝夾對(duì)工件的影響，滿足相關(guān)要求中的形位公差與尺寸精度。比如，要想使工件在吸附在盤上，可利用真空吸附裝夾的方式，將工件的底部使用特殊的密封條進(jìn)行密封，之后抽空工件的底部，最后對(duì)其進(jìn)行加工。若切削工具移動(dòng)，切削的方向要隨之改變，還要考慮工件對(duì)的外形來選擇恰當(dāng)?shù)膴A具，借助多軸加工切削的方式對(duì)其進(jìn)行切削，以此來使工件加工的效率特高，降低工件變形的概率。

2.5 選擇合理的切削參數(shù)

在對(duì)工件進(jìn)行切削時(shí)，切削參數(shù)的選擇和切削熱、切削力兩者的關(guān)系十分密切，加工的質(zhì)量、工件表面的精度、機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的性能、所用材料和刀具決定著切削參數(shù)的選擇。

在對(duì)工件進(jìn)行銑削時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)需要與下式相對(duì)應(yīng)：

上式中的Vf、fz、n、z分別代表的是進(jìn)給速度、每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、銑刀齒數(shù)。

上式中的n、V、D分別代表的為主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、刀具直徑。

上式中的η、ap、ae、Vf分別代表的為材料去除率、銑削深度、銑削寬度。

在切削參數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，一般情況下都是依據(jù)加工所用的材料和刀具以及品質(zhì)，首先對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的確定可根據(jù)主軸直徑與切削的速度，之后以手冊(cè)為依據(jù)選取銑刀每齒進(jìn)給量，然后將銑刀刃數(shù)根據(jù)上式（1）進(jìn)行計(jì)算，算出刀具進(jìn)給的速度。

相對(duì)于一般的銑削加工而言，使用高速銑削對(duì)其進(jìn)行加工，所得參數(shù)具備的徑向切深和小切深較大、并且切削速度較快、中等每齒進(jìn)給量較多，其中大徑向切深的長度在刀具直徑的百分之五十到百分之九十之間，所以高速銑削有著“少切快跑”的優(yōu)勢(shì)。在確保加工精度的情況下使加工效率提升。在條件相同的情況下，對(duì)鋁合金薄壁件加工盡可能使用高速銑削的方式。

3 結(jié)束語

在對(duì)鋁合金薄壁件加工的過程中會(huì)受到多種因素的干擾，因此需要根據(jù)加工工件實(shí)際的變形問題，有針對(duì)性的選取控制加工變形的技術(shù)，對(duì)工件的外觀做深入的分析，并且在加工過程中還要對(duì)薄壁件的外形、散熱、受熱以及夾具等多種情況做全面的考慮，可采用冷卻液、選擇夾具等技術(shù)去控制工件的精度，此做法在高度提升薄壁件生產(chǎn)效率的同時(shí)，還可以確保薄壁件加工的精度維持在合理的范圍內(nèi)，對(duì)薄壁件成產(chǎn)的過程有較大的影響。