大直徑薄壁鋁合金零件的加工研究

摘 要：大直徑薄壁鋁合金零件在機械加工中由于諸多原因導致加工后零件較易變形，對具有公差嚴精度高等特點的航空產品在加工后不易合格。本文系作者在經過實際加工過后，結合累積出的一些加工經驗，總結出一些機械加工大直徑薄壁鋁合金零件的一些體會。

關鍵詞：機械加工；鋁合金；變形

1 鋁及鋁合金

1.1 鋁元素

鋁——一種金屬元素，符號AI，銀白色，有光澤，質地堅韌而輕，具有銀白色有光澤金屬，密度2.702克/立方厘米，熔點為660.37℃，沸點為2467℃。具有良好的導熱性、導電性和延展性。化合價+3，電離能5.986電子伏特。

1.2 鋁合金的特點及應用

純的鋁很軟，強度不大，有著良好的延展性。在某些金屬中加入少量鋁，便可大大改善其性能。在鋁中加入鎂，便制得鋁鎂合金，其硬度比純的鎂和鋁都大許多，而且保留了其質輕的特點，常用于制造飛機的機身，火箭的箭體；制造門窗、美化居室環境；制造船舶等。

2 零件變形

零件在機械加工中存在著各種各樣的變形，其變形的產生原因亦不相同。

2.1 零件產生變形的原因

在機械加工過程中，引起零件產生變形的原因大概有一下幾種：

2.1.1 零件結構產生變形

由于在航空領域，要求大部分零件都要有質量輕的特點，故一些零件除保證該零件正常的剛性要求外，盡量保證材料少，因此，在航空零件大部分都是薄壁零件。薄壁零件顧名思義，零件的支撐等部位相對較薄，大概在1mm-3mm左右，所以在機械加工時，容易產生強度剛性不夠而導致變形，且零件直徑較大，更是將零件變形擴大。

2.1.2 材質產生變形

由于航空領域的特殊原因，采用輕質金屬必為所有航空廠商的首選，而鋁合金以其質地輕，且經過表面氧化后，化學性質溫度等特點，成為航空產品材料選擇的首選。然而，鋁合金大都分具有良好的延展性，故鋁合金的變形在所難免。

2.1.3 切削力過大引起變形

在機械加工過程中（除特種工藝外），采用刀具與零件接觸，通過刀具選用較硬的材質，且較為鋒利，對零件進行切削。在整個機加過程中，產生較大切削力，使得零件受到擠壓，導致零件變形。

2.1.4 切削熱引起零件變形

機械加工過程中由于刀具與工件進行摩擦，必然產生大量的切削熱，切削熱使得零件表面溫度升高，由于零件的熱脹冷縮，導致零件在瞬間膨脹，導致形變，然而此類形變并不是完全的彈性形變，因而切削熱引起零件變形。

2.1.5 殘余應力導致零件變形

在機械加工過程中，由于切削力及切削熱等因素共同作用于零件，使得零件內部的應力平衡被打破，導致零件在加工過后必然要回復應力平衡狀態而釋放殘余應力，從而導致零件變形。

2.1.6 其它變形因素

在機械加工規程中，還有一些其它的因素會影響零件變形，例如：零件的裝夾方式不合理導致零件變形；加工過程中的溫度變化引起的零件變形等等。

總之，零件在機加過程中的變形不可避免。

2.2 減小零件變形的方法

針對上述零件變形產生原因，我們可以將已知零件變形的因素進行人為控制，以達到減小變形量的目的。由于零件結構及材質是不允許機加隨意改變的，故只能通過減小切削力，減少切削熱來控制零件變形。

眾所周知，切削力F與切削用量三要素的滿足如下經驗公式：

F=Vcx×fy×apz （x

其中：Vc-切削速度；f-進給；ap-切深

x、y、z為系數且z遠大于x、y

因此，切深ap是影響切削力的重要因素，故減小切削力必然需要減小切深ap。

切削力的大小還與所選擇的刀具有關，選擇大前角，鋒利刀片加工最為適宜。

同樣，切削熱T同樣滿足如下經驗公式：

T=Vcx×fy×apz （x>y>z）

其中：Vc-切削速度；f-進給；ap-切深

x、y、z為系數且x遠大于y、z

由上公式看出切削速度是決定切削熱的主要因素，但是如果切削速度減慢，可能導致積屑瘤的產生，在粗加工時，積屑瘤可為我們所用，然而在精加工時，積屑瘤卻成為加工瓶頸。降低切削熱所帶來的危害除了降低切削速度外還有其它方法，即大流量澆注冷卻液。冷卻液不但可以帶走熱量，還可以起到潤滑的作用，減少摩擦產生的熱量，故可以降低熱變形。

總而言之，變形雖不可避免，卻可以人為控制，以減小變形。

3 控制大直徑薄壁鋁合金零件變形在生產中的應用

54G054--第四級低壓壓氣機機匣系大直徑薄壁鋁合金零件。其最大直徑尺寸為Φ1118.108mm，其中壁厚為2.413mm，材質為AMS4312（鋁合金）。

3.1 加工難點確立

加工此零件的難點就在于該零件加工后的變形。

3.2 加工過程中的變形及解決方法

該零件在機械加工工藝方面主要分為三道車工序和一道銑工序。

No.5修基準。修基準的目的是為了解決由于定位面不平而造成的裝夾變形。所謂裝夾變形即在零件與夾具配合時由于配合平面基準高低不平導致壓板壓零件時將空點壓實，加工過后，零件回彈，造成變形。減小該類變形的常見方法一般有兩種，即1、打表壓壓板，在壓壓板時表針晃動就用塞尺零件定位面墊平，使得壓壓板后百分表不再跳動。2、打表壓壓板，在壓壓板時發現表針晃動就可以不用壓緊，只壓實點。經實踐證明，每個零件壓實三個實點即可確定零件不串動。以上兩種方法比較起來建議采用第二種，由于第一種在墊塞尺時比較費時費力，且容易多次返工仍未滿足要求，因而失去耐心，導致操作者隨意壓緊，加工零件，已造成裝夾變形。

No.10 精車小端輪廓。加工該道工序的難點在于切削路線的選擇、刀具選擇以及切削參數的選擇。在切削路線方面，若選用單面精車到位后再進行另一側加工的方式很有可能造成切削力變形及殘余應力變形。本零件采用兩邊交替車削留余量的工藝路線，并且在單邊留0.50mm余量時松開壓板，釋放應力后重新采用打表壓壓板的方式夾緊，使零件近乎處于自由狀態下進行精加工。在刀具選擇方面，應盡量采用大前角刀具，以減小切削力。在切削參數方面，一般采取小切深，ap一般在0.30mm-0.50mm以減小切削力。在切削過程中，開冷卻液不僅可以帶走熱量，減小熱變形，還可以起到良好的潤滑潤滑作用。

No.15 精車大端輪廓。本工序加工難點在于零件找正，由于上工序加工變形，導致該工序找正基準時圓跳動在0.15mm-0.30mm，端跳在0.10mm左右。我們采用對點找正在0.1mm以內，且有超過0.8mm以上的余量下，打表壓壓板的方式，盡量使零件處于與自由狀態相同的狀態進行加工。最終保證零件合格。

No.25 銑花邊及槽。本工序是該零件產生變形最大的工序，且是其它因素影響零件狀態最大的工序。首先，銑加工的切削力較大，產生較大變形；其次，銑加工將產生大量的切削熱，容易引起熱變形；再次，由于鋁合金屬于塑性材料，容易粘刀，使得表面金屬金相組織發生變化，打破金屬內部應力平衡，造成變形，且由于粘刀還會造成表面粗糙度不好。按照上面提到的經驗公式，我們對加工方式進行調整，改變了傳統的加工觀念。采用小切深大進給的銑削方式即減小ap增大轉數S（Vc）及進給量f，根據經驗公式，切削力F得到較大幅度的減小，進而降低零件由于切削力引起的變形。但是，根據切削熱經驗公式，這種銑削方式將大大增加切削熱的產生，容易引起熱變形。根據此種情況我們采用大流量冷卻液澆注方式進行冷卻，這樣切削熱產生的熱量容易被冷卻液所帶走，大大降低了切削熱對零件變形所產生的影響。

通過上述各工序的問題解決，最終得到合格零件，完全使零件變形控制在有效公差范圍內，成功交付零件。

4 結論

通過對54G054的實際加工，使我們累積了大量的關于大直徑薄壁鋁合金零件加工經驗，有效控制了鋁合金零件在加工中的變形給加工帶來的困難，從而奠定了加工大直徑薄壁鋁合金零件的基礎，對今后的生產有所幫助。

作者簡介：紀鑫（1984，11-），男，2007年7月畢業于哈爾濱工程大學機械設計制造及其自動化專業，2007年8月沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司工作。