減少航空鋁合金零件加工變形的途徑

中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 (湖北襄陽 441002) 張 晶

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，為了減輕重量，采用了大量的鋁合金材料的薄壁零件，由于鋁合金零件材料熱膨脹系數(shù)較大，薄壁加工過程中很容易變形。尤其是在采用自由鍛毛坯時，加工余量大，變形問題更為突出。

1.減少加工變形的工藝措施

（1）降低毛坯的內(nèi)應(yīng)力：采用自然或人工時效以及振動處理，均可部分消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力。預(yù)先加工也是行之有效的工藝方法。對“肥頭大耳”的毛坯，由于余量大，故加工后變形也大。若預(yù)先加工掉毛坯的多余部分，縮小各部分的余量，不僅可以減少以后工序的加工變形，而且預(yù)先加工后放置一段時間，還可以釋放一部分內(nèi)應(yīng)力。

例如圖1所示為大梁零件，毛坯形狀如圖雙點劃線所示重60kg，而零件僅重3kg。若按圖中虛線所示一次性加工成形，平面度誤差可高達(dá)14mm；若按圖中實線進(jìn)行預(yù)加工，自然時效一段時間后再加工成形為所需要的零件，則平面度誤差可以減小到3mm。

圖1

圖2為某型號穿蓋器零件，局部最小厚度僅為3mm，加工前的毛坯厚度為20mm。可以上加工中心用壓板換壓的方法將零件直接加工到尺寸，但是從工作臺上取下來時，零件底部兩端會向上翹起，造成尺寸嚴(yán)重超差甚至報廢。

圖2

所以在加工之前，先在毛坯上開一個應(yīng)力釋放槽，如圖3實線位置所示，再從工作臺上取下，自然時效1～2h，讓變形盡量在此時全部發(fā)生。之后，增加一個鉗工校平工序?qū)⒘慵Ｆ剑瑒t零件在后續(xù)加工中變形量會大幅度地降低。

圖3

（2）改善刀具的切削能力：刀具的材料、幾何參數(shù)對切削力、切削熱有重要的影響，正確選擇刀具，對減少零件加工變形至關(guān)重要。

合理選擇刀具幾何參數(shù)。前角：在保持刀刃強度的條件下，前角適當(dāng)選擇大一些，一方面可以磨出鋒利的刃口，另外可以減小切削變形，使排屑順利，進(jìn)而降低切削力和切削溫度。切忌使用負(fù)前角刀具。

后角：后角大小對后刀面磨損及加工表面質(zhì)量有直接的影響。切削厚度是選擇后角的重要條件。粗銑時，由于進(jìn)給量大，切削負(fù)荷重，發(fā)熱量大，要求刀具散熱條件好，因此，后角應(yīng)選擇小一些。精銑時，要求刃口鋒利，減輕后刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，后角應(yīng)選擇大一些。

螺旋角：為使銑削平穩(wěn)，降低銑削力，螺旋角應(yīng)盡可能選擇大一些。

主偏角：適當(dāng)減小主偏角可以改善散熱條件，使加工區(qū)的平均溫度下降。

改善刀具結(jié)構(gòu)。減少銑刀齒數(shù)，加大容屑空間。由于鋁合金材料塑性較大，加工中切削變形較大，需要較大的容屑空間，因此容屑槽底半徑應(yīng)該較大、銑刀齒數(shù)較少為好。例如，φ20mm以下的銑刀采用兩個刀齒；φ30～φ60mm的銑刀采用三個刀齒較好，以避免因切屑堵塞而引起薄壁鋁合金零件的變形。

精磨刀齒：刀齒切削刃部的表面粗糙度值要小于Ra=0.4um。在使用新刀之前，應(yīng)該用細(xì)油石在刀齒前、后面輕輕磨幾下，以消除刃磨刀齒時殘留的毛刺及輕微的鋸齒紋。這樣，不但可以降低切削熱而且切削變形也比較小。

嚴(yán)格控制刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)：刀具磨損后，工件表面粗糙度值增加，切削溫度上升，工件變形隨之增加。因此，除選用耐磨性好的刀具材料外，刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該大于0.2mm，否則容易產(chǎn)生積屑瘤。切削時，工件的溫度一般不要超過100℃，以防止變形。

改善工件的裝夾方法。對于剛性較差的薄壁鋁合金工件，可以采用以下的裝夾方法，以減少變形：對于薄壁襯套類零件，如果用自定心卡盤或彈簧夾頭從徑向夾緊，加工后一旦松開，工件必然發(fā)生變形。此時，應(yīng)該利用剛性較好的軸向端面壓緊的方法。以零件內(nèi)孔定位，自制一個帶螺紋的穿心軸，套入零件的內(nèi)孔，其上用一個蓋板壓緊端面再用螺帽背緊。加工外圓時就可避免夾緊變形，從而得到滿意的加工精度。

對薄壁薄板工件進(jìn)行加工時，最好選用真空吸盤，以獲得分布均勻的夾緊力，再以較小的切削用量來加工，可以很好地防止工件變形。

另外，還可以使用填塞法。為增加薄壁工件的工藝剛性，可在工件內(nèi)部填充介質(zhì)，以減少裝夾和切削過程中工件變形。例如，向工件內(nèi)灌入含3%～6%硝酸鉀的尿素熔融物，加工以后，將工件浸入水或酒精中，就可以將該填充物溶解倒出。

合理安排工序。高速切削時，由于加工余量大以及斷續(xù)切削，銑削過程中往往產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度。所以，數(shù)控高速切削加工工藝過程一般可分為：粗加工→半精加工→清角加工→精加工等工序。對于精度要求高的零件，有時需要進(jìn)行兩次半精加工，然后再進(jìn)行精加工。粗加工之后，零件可以自然冷卻，消除粗加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小變形。粗加工之后留下的余量應(yīng)大于變形量，一般為1～2mm。精加工時，零件精加工表面要保持均勻的加工余量，一般以0.2～0.5mm為宜，使刀具在加工過程中處于平穩(wěn)的狀態(tài)，可以大大減少切削變形，獲得良好的表面加工質(zhì)量，保證產(chǎn)品的精度。

2.操作技巧

鋁合金材料的零件在加工過程中變形，除了上述的原因之外，在實際操作中，操作方法也是非常重要的。

（1）對于加工余量大的零件，為使其在加工過程中有比較好的散熱條件，避免熱量集中，加工時，宜采用對稱加工。如有一塊90mm厚的板料需要加工到60mm，若銑好一面后立即銑削另一面，一次加工到最后尺寸，則平面度達(dá)5mm；若采用反復(fù)進(jìn)刀對稱加工，每一面分兩次加工到最后尺寸，可保證平面度達(dá)到0.3mm。

（2）如果板材零件上有多個型腔，如圖4所示，加工時，不宜采用一個型腔一個型腔的次序加工方法，這樣容易造成零件受力不均勻而產(chǎn)生變形。采用分層多次加工，每一層盡量同時加工到所有的型腔，然后再加工下一個層次，使零件均勻受力，減小變形。

圖4

（3）通過改變切削用量來減少切削力和切削熱。在切削用量的三要素中，背吃刀量對切削力的影響很大。如果加工余量太大，一次走刀的切削力太大，不僅會使零件變形，而且還會影響機(jī)床主軸剛性、降低刀具的壽命。如果減少背吃刀量，又會使生產(chǎn)效率大打折扣。不過，在數(shù)控加工中都是高速銑削，可以克服這一難題。在減少背吃刀量的同時，只要相應(yīng)地增大進(jìn)給，提高機(jī)床的轉(zhuǎn)速，就可以降低切削力，同時保證加工效率。

（4）走刀順序也要講究。粗加工強調(diào)的是提高加工效率，追求單位時間內(nèi)的切除率，一般可采用逆銑。即以最快的速度、最短的時間切除毛坯表面的多余材料，基本形成精加工所要求的幾何輪廓。而精加工所強調(diào)的是高精度、高質(zhì)量，宜采用順銑。因為順銑時刀齒的切削厚度從最大逐漸遞減至零，加工硬化程度大為減輕，同時減輕零件的變形程度。

（5）薄壁工件在加工時由于裝夾產(chǎn)生變形，即使精加工也是難以避免的。為使工件變形減小到最低限度，可以在精加工即將達(dá)到最后尺寸之前，把壓緊件松一下，使工件自由恢復(fù)到原狀，然后再輕微壓緊，以剛能夾住工件為準(zhǔn)（完全憑手感），這樣可以獲得理想的加工效果。總之，夾緊力的作用點最好在支承面上，夾緊力應(yīng)作用在工件剛性好的方向，在保證工件不松動的前提下，夾緊力越小越好。

（6）在加工帶型腔零件時，加工型腔時盡量不要讓銑刀像鉆頭似的直接向下扎入零件，導(dǎo)致銑刀容屑空間不夠，排屑不順暢，造成零件過熱、膨脹以及崩刀、斷刀等不利現(xiàn)象。要先用與銑刀同尺寸或大一號的鉆頭鉆下刀孔，再用銑刀銑削。或者，可以用CAM軟件生產(chǎn)螺旋下刀程序。