芻議鋁合金薄壁件銑削加工精度控制

李鋒

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及生產(chǎn)力的不斷提高，航空航天等行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，其對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的性能提出了更高要求，而鋁合金薄壁件因其具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、比強度高等性能而被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。本文通過簡析鋁合金薄壁件，分析影響鋁合金薄壁件銑削加工精度的因素，研究鋁合金薄壁件銑削加工精度控制實驗，提出加強鋁合金薄壁件銑削加工精度的路徑探索，以幫助人們正確認(rèn)識和科學(xué)設(shè)計鋁合金薄壁件加工工藝，并對薄壁件加工過程中的變形情況進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，從而有效提高鋁合金薄壁件銑削加工精度。

關(guān)鍵詞：鋁合金薄壁件;銑削加工;精度控制

中圖分類號：V261.2+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0117-02

0? 引言

航空航天屬于高精尖技術(shù)密集行業(yè)，其生產(chǎn)技術(shù)水平的高低在很大程度上體現(xiàn)著國家制造業(yè)實力和國防科技現(xiàn)代化水平，而鋁合金薄壁件具有眾多優(yōu)良性能，已被廣泛應(yīng)用在高技術(shù)行業(yè)領(lǐng)域，其能夠有效減少標(biāo)準(zhǔn)件的使用，提升整體結(jié)構(gòu)件加工精度，提高飛機(jī)機(jī)體生產(chǎn)效率，但鋁合金薄壁件在加工生產(chǎn)過程中，常受自身特性以及使用工具、切削參數(shù)設(shè)計等因素影響而導(dǎo)致其變形，從而影響薄壁件銑削加工精度和使用性能，因此如何加強鋁合金薄壁件的銑削加工精度已成為制造業(yè)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展需要關(guān)注的重點，尤其是當(dāng)前我國正處于從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”改革發(fā)展的關(guān)鍵時期，為進(jìn)一步提高我國制造業(yè)水平，使其成為現(xiàn)代制造強國并提高我國制造業(yè)在全球競爭市場中的優(yōu)勢，正確認(rèn)識影響鋁合金薄壁件銑削加工精度的因素并提出加強鋁合金薄壁件銑削加工精度的路徑探索具有重要意義[1]。

1? 簡析鋁合金薄壁件

鋁合金薄壁件是在鋁合金材料原有性能的基礎(chǔ)上，通過各種薄殼板和加強筋支撐的零件壁厚小于2毫米的輕量化結(jié)構(gòu)件，能夠達(dá)到薄壁、減重、高強度的優(yōu)點，其被廣泛應(yīng)用在航空行業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)前鋁合金薄壁件在實際加工生產(chǎn)過程中，由于受到自身材料的剛度性能較小、加工工藝技術(shù)水平和使用器具限制，導(dǎo)致鋁合金薄壁件加工過程中的變形控制難度較大，就會使得后期加工誤差增多，尤其是鋁合金在銑削等機(jī)械加工過程中會產(chǎn)生較大的參與內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)加工結(jié)束之后零件的殘余應(yīng)力和加工應(yīng)力得到釋放，也會導(dǎo)致尺寸精度發(fā)生變化，從而使零件尺寸超差影響鋁合金薄壁件功能價值優(yōu)勢的有效發(fā)揮[2]。

2  影響鋁合金薄壁件銑削加工精度的因素

2.1 鋁合金自身特性影響

鋁合金薄壁件的工件壁薄，自身變形應(yīng)力較小，剛性較差，在具體銑削加工過程中，不僅會在夾緊力、切削力等外力作用下產(chǎn)生不同程度的形變，還會由于塑性變形而出現(xiàn)較多數(shù)量的鋁屑，而鋁屑通過與加工過程的強勁外力發(fā)生作用，就會使鋁合金薄壁件產(chǎn)生一定程度的變形，尤其是在切削熱的影響下也會產(chǎn)生熱變形，不僅會使工件尺寸難以精確掌握，還會影響工件的尺寸精度、形狀精度、位置精度以及表面光滑度。鋁合金薄壁件在加工過程中會產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，而隨著切削加工過程的進(jìn)行，殘余內(nèi)應(yīng)力逐漸被釋放，鋁合金薄壁件需要在自身作用下達(dá)到新的平衡，這時在殘余內(nèi)應(yīng)力作用下鋁合金薄壁件內(nèi)的原子發(fā)生偏移，就會造成工件出現(xiàn)無法修復(fù)的變形或者相變，從而使加工精度出現(xiàn)偏差。

2.2 加工技術(shù)的參數(shù)設(shè)計

在鋁合金薄壁件的加工過程中，選擇不同的加工參數(shù)會產(chǎn)生不同的彈塑性變形以及切削熱，這都會造成鋁合金薄壁件不同程度的形變。在實際鋁合金薄壁件加工過程中一旦由于加工技術(shù)參數(shù)設(shè)計不合理，如切削角設(shè)計不合理、切削參數(shù)設(shè)置不科學(xué)等，都會在加工過程中出現(xiàn)振動，不僅會由于刀具自身材質(zhì)和強度不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致刀具出現(xiàn)磨損，還會使鋁合金薄壁件出現(xiàn)較大程度的形變，包括形成表面振紋，使其表面精度和質(zhì)量受到影響，達(dá)不到鋁合金薄壁件的使用性能標(biāo)準(zhǔn)，從而造成原材料浪費;在切削過程中選用的夾緊力和切削用量不合理，如過大使用夾具，就會使支撐力作用點和其他作用點參數(shù)不精準(zhǔn)，從而產(chǎn)生生產(chǎn)附加作用力，出現(xiàn)拉伸、擠壓等問題，都會造成剛性較低的鋁合金薄壁件出現(xiàn)形變。

2.3 使用工具操作不科學(xué)

鋁合金薄壁件的生產(chǎn)加工需要采用機(jī)床、夾具、刀具等多元化的使用工具和機(jī)械設(shè)備，而鋁合金薄壁件自身的加工量較大，需要切除高達(dá)86%的材料，才能保證構(gòu)件性能價值優(yōu)勢的有效發(fā)揮，一旦在實際加工操作過程中出現(xiàn)工具使用不合理、力度掌握不精準(zhǔn)等問題，導(dǎo)致薄壁件受力不均勻，就會直接使鋁合金薄壁件出現(xiàn)變形，從而影響其銑削加工精度[3]。如在選用夾具過程中，會全方位形成夾緊力，而鋁合金薄壁件自身的厚度不足，使得夾緊力過大或過小都會影響鋁合金薄壁件的加工精度;鋁合金薄壁件內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，在選擇刀具進(jìn)行切削時，由于鋁合金薄壁件不同位置的厚度不同，一旦不能及時科學(xué)調(diào)整受力大小，就會使鋁合金工件的壁厚出現(xiàn)誤差。

2.4 機(jī)床和切削工藝影響

機(jī)床是進(jìn)行鋁合金薄壁件銑削加工的基礎(chǔ)設(shè)備，機(jī)床的剛度、功率、精度等都會影響鋁合金薄壁件銑削加工精度，如機(jī)床精度不準(zhǔn)確，就會導(dǎo)致鋁合金薄壁件的精度超差。切削工藝是鋁合金薄壁件銑削加工的關(guān)鍵，工件定位、裝夾方式、刀具路徑規(guī)劃以及切削液選擇等都是影響鋁合金薄壁件銑削加工精度的重要因素。如機(jī)床校驗精準(zhǔn)度不高、工件定位不準(zhǔn)確等都會在高速切削過程中導(dǎo)致工件實際位置與預(yù)期位置出現(xiàn)偏差，從而使后期的夾緊力、刀具路徑走向發(fā)生偏移，就會影響工件加工精度;刀具切削工件過程中，由于刀具高速運轉(zhuǎn)與工件摩擦、切削產(chǎn)生形變所做的功等過程都會釋放一定熱量，而這部分熱量在切削液的作用下得到釋放，切削液選擇不合理就會使工件在切削熱作用下產(chǎn)生形變。

3? 鋁合金薄壁件銑削加工精度控制實驗研究

當(dāng)前鋁合金薄壁件在航空行業(yè)等制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用逐漸廣泛，為有效避免鋁合金薄壁件在銑削加工過程中易出現(xiàn)形變且不易控制的現(xiàn)象，眾多科學(xué)家對鋁合金薄壁件銑削加工精度控制進(jìn)行了實驗研究，以進(jìn)一步明確影響鋁合金薄壁件銑削加工精度的因素，從而增加鋁合金薄壁件的加工精度。如弱剛度薄壁銑削理論研究、弱剛度薄壁銑削有限元理論研究、弱剛度薄壁銑削實驗研究等。其中通過有限元分析獲取鋁合金薄壁件加工變形規(guī)律，并在大量實驗?zāi)M的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際測量值和有限分析值能夠構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可以科學(xué)計算銑削加工過程中刀具與工件之間所需傾斜的角度，能夠進(jìn)一步保證銑削加工精度[4]。

4? 加強鋁合金薄壁件銑削加工精度的路徑探索

4.1 合理設(shè)計工藝支撐

鋁合金薄壁件外形相對不規(guī)則，外加鋁合金薄壁件自身特性影響導(dǎo)致其極易在銑削加工過程中出現(xiàn)形變問題而影響到銑削加工精度，因此在實際鋁合金薄壁件加工過程中要合理設(shè)置科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的銑削加工工藝技術(shù)，以有效保障鋁合金薄壁件銑削加工精度。選用不同的薄壁件進(jìn)行加工時，要充分考慮工件加工受熱和應(yīng)力的影響程度，再結(jié)合薄壁件加工目標(biāo)和要求合理設(shè)計、采用有效的工藝支撐，以最大限度保障鋁合金薄壁件在受外界應(yīng)力的作用下不會發(fā)生明顯變形;實際鋁合金薄壁件在進(jìn)行加工時需要多次變換固定位置，這就需要人們在進(jìn)行鋁合金薄壁件加工前有效結(jié)合遠(yuǎn)技術(shù)坐標(biāo)，以科學(xué)計算并合理設(shè)置工件的固定位置，然后嚴(yán)格控制加工順序和流程，以消除殘余應(yīng)力對工件形變的影響[5]。

4.2 切削技術(shù)操作科學(xué)

切削技術(shù)是鋁合金薄壁件加工工藝的關(guān)鍵，在進(jìn)行切削加工之前，要結(jié)合鋁合金薄壁件的外形以及性能等實際情況科學(xué)選擇最佳的切削工具，再有機(jī)結(jié)合應(yīng)力、摩擦力、受熱等情況選擇切削參數(shù)和加工工藝，以有效避免切削過程對鋁合金薄壁件表面光滑度和精度造成不良影響。如據(jù)實驗調(diào)查顯示，切削力隨著切削深度和每齒進(jìn)給量的增加而增加，在鋁合金薄壁件加工過程中合理選擇高速切削技術(shù)，科學(xué)設(shè)置切削參數(shù)和切削技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，既能有效緩解在以往鋁合金薄壁件切削過程中由于切削力、切削速度和溫度的增加而使鋁合金薄壁件表面出現(xiàn)軟化而黏滯現(xiàn)象，又能避免切削溫度降低，還能有效縮短工件加工周期，最大限度降低工件發(fā)生形變的可能性，從而保證鋁合金薄壁件精度更加精準(zhǔn)。

4.3 冷卻液的適當(dāng)加入

外力做功的情況不可避免會引起工件溫度升高，尤其是在長時間的作業(yè)情況下，由于鋁合金薄壁件自身受溫度引發(fā)形變的可能性較高，因此為避免鋁合金薄壁件在銑削加工過程中受溫度影響較大，就需要合理控制工件加工時產(chǎn)生的溫度?？茖W(xué)運用冷卻液，精準(zhǔn)把握冷卻液的加入時間和用量，并根據(jù)實際選用的冷卻液種類，正確判斷是否需要連續(xù)添加，如常用的離子型冷凍液在切削加工過程中需要連續(xù)添加才能避免出現(xiàn)工件受熱不均現(xiàn)象?？茖W(xué)選用冷卻液能在降低切削消耗量和鋁合金薄壁件加工環(huán)境溫度的同時，有效保證鋁合金薄壁件不會因加工受熱不均而出現(xiàn)裂紋，并且還會由于冷卻液的正確使用使鋁合金薄壁件的表面變得更加光滑，從而進(jìn)一步提高工件加工質(zhì)量，保證工件加工精度。

4.4 正確選擇使用工具

為避免鋁合金薄壁件在銑削加工過程中出現(xiàn)變形，就需要正確選擇使用工具和儀器設(shè)備，以從根本上保障鋁合金薄壁件加工精度。在以往的鋁合金薄壁件銑削加工過程中采用的夾具通常為自定心三爪和四爪卡盤式，而不同夾具在使用過程中的夾緊方向不同、夾緊應(yīng)力和拉應(yīng)力也不同，這時工件會在夾緊力的作用下達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此要根據(jù)實際鋁合金薄壁件特性科學(xué)選擇最佳的夾具和施加的夾緊力，選擇合適、有效的裝夾方式，在降低工件變形程度的基礎(chǔ)上，降低專用夾具的制造成本[6];根據(jù)刀具直徑、螺旋角以及鋁合金薄壁件的加工要求科學(xué)選擇刀具參數(shù)，確保工件內(nèi)腔精加工時刀具的直徑要小于拐角處的圓角半徑，以避免由于刀具與零件的接觸面變大而產(chǎn)生振動現(xiàn)象，從而增加工件表面振紋。

5? 總結(jié)

新時期，隨著我國制造行業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金薄壁件的應(yīng)用范圍也越來越廣，這就對鋁合金薄壁件銑削加工的要求越來越高。為有效防止和避免鋁合金薄壁件在銑削加工過程中由于自身特性和其他加工因素影響而造成工件形變、加工精度降低等問題的發(fā)生，就需要人們在實際鋁合金薄壁件銑削加工過程中，緊密結(jié)合實際鋁合金薄壁件的形狀、特性和加工需求科學(xué)選擇最佳的加工工藝和參數(shù)設(shè)置，合理設(shè)置工藝支撐，正確選擇使用工具，適時加入冷卻液，以在提高鋁合金薄壁件加工生產(chǎn)質(zhì)量和效率的同時，提高工件精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷曉燕.高強度鋁合金薄壁件銑削加工變形控制的研究[J]. 知識文庫，2019（15）：210-211.

[2]周旭陽.鋁合金薄壁件加工過程變形控制[J].中國金屬通報，2021（01）：219-220.

[3]牛亞洲.鋁合金復(fù)雜薄壁件精密加工技術(shù)研究[D].北華航天工業(yè)學(xué)院，2017.

[4]廖玉松，韓江.鋁合金薄壁件銑削加工精度控制研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2015（05）：113-117，120.

[5]馬偉.航空鋁合金薄壁件切削過程及加工變形仿真分析[D].吉林大學(xué)，2020.

[6]李磊.鈦合金薄壁微銑削精度研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2020（02）：45-48.

[7]周兵.鋁合金薄壁零件加工技術(shù)研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2021（01）：85-87.

[8]曲寧松，劉洋，張峻中，房曉龍.電解銑削加工技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].電加工與模具，2021（02）：1-14.