鋁合金薄壁深腔的數控加工

陳進斌

摘要：鋁合金零件是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，其特性是重量輕、比重小、強度較高、導電導熱性好、抗腐蝕好。在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。但鋁合金材料的薄壁零件在加工中存在容易變形的問題，現根據具體薄壁鋁合金零件的性能及結構特點，制定出合理的工藝方案，進行數控編程，從而完成鋁合金薄壁零件加工。

Abstract： Aluminum alloy parts are the most widely used non-ferrous metal structural materials in industry. They are characterized by light weight， small specific gravity， high strength， good thermal conductivity and good corrosion resistance， and are widely used in aviation， aerospace， automotive， machinery manufacturing， shipbuilding and chemical industry. However， thin-walled aluminum alloy parts are easy to deform in the processing. In this paper， according to the specific characteristics and structural characteristics of thin-walled aluminum alloy parts， a reasonable process program is developed， and NC programming is carried out， to complete the aluminum thin-walled parts processing.

關鍵詞：鋁合金；薄壁殼體；變形；數控加工

Key words： aluminum alloy；thin-walled shell；deformation；CNC machining

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0113-02

0 引言

薄壁零件主要是指零件的壁厚小于2mm的零件。薄壁零件在現今已日益廣泛地應用在生活中的方方面面，但因為薄壁零件剛性差，在加工制造過程中極容易變形，不易保證形位誤差，保證加工質量。因此做了多方面的試驗，對工件的裝夾、刀具的幾何參數、程序的加工編制進行分析，給出解決問題的具體方法，有效的克服了薄壁深腔零件在加工中出現的變形，保證了薄壁深腔零件的形位精度，為今后此類零件加工做了依據及借鑒。

1 影響零件加工精度的因素

鋁合金產品零件的變形將會影響到零件的使用性能。在具體的加工過程中，影響零件變形的主要因素為切削力、切削熱和夾緊力。切削過程中，產生的切削力大小直接影響到切削熱和夾緊力，切削熱引起鋁合金材料的熱變形；施加在零件上的夾緊力引起薄壁零件的冷變形；從而容易產生切削力下的振動變形。

①易受振動變形，切削時產生的切削力對薄壁零件的振動引起變形，影響尺寸精度和表面粗糙度。②易受熱力變形，由于加工產生的切削熱量，會使薄壁零件尺寸難以控制。③易受夾緊力變形，薄壁零件的形狀一般在夾緊力的作用下容易在零件的壁薄處變形。

2 如何提高精度和光潔度

2.1 薄壁零件夾緊力變形，是零件與夾具在接觸區域作用力下所發生的變形。首先要考慮的是夾緊點的選擇，盡量選擇靠近加工表面的位置做為夾緊點，其次考慮的是選擇不易引起大變形的位置進行裝夾。并采用增加輔助支撐或輔助夾緊點，增加壓緊接觸面積，找零件對稱面等方法來進行夾緊裝夾。

2.2 鋁合金薄壁零件在切削過程中產生的切削力比較小，可以采用比較大的切削速度，但是容易粘刀，形成積屑瘤。鋁材料導熱高，切削時由于切屑和零件傳導出去的熱量較多，刀具耐用度較高，但零件溫度較高，容易引起變形。因此，選用合適的刀具材料，在刀具材料的基礎上選擇合適的刀具角度，并提高刀具的表面粗糙度要求，對降低切削力和切削熱十分有效。

2.3 切削過程中，薄壁零件和刀具之間常會發生相對振動。不僅使加工表面產生波紋，嚴重影響加工精度和表面質量。那么如何解決切削過程中產生的振動問題，薄壁零件加工產生變形振動的原因大多是由于切削力、夾緊力、定位誤差和彈性變形。其中影響最大的是切削力和夾緊力。所以，合理的選擇切削用量、合理的選擇刀具切削速度、進給量、切削深度、刀具的幾何參數和夾具中的定位方式、夾緊力。能有效的消除振動所加工表面產生的波紋和加工精度、表面質量。

2.4 最后銑削過程中采用適當的切削液可以降低銑削力，切削液對改善加工表面質量和提高效率都有非常重要的作用。在銑刀切削過程中產生大量的切削熱。容易對鋁合金零件產生熱變形，切削液有效的減小切削熱量，有效的提高加工表面的粗糙度，和加工精度。所用的切削液的潤滑性能越高，切削力的降低約為顯著。

合理的安排加工工藝參數主要是：切削速度、進給量、切削深度、刀具的幾何參數、夾具中定位方式、夾緊力的確定等。

3 加工工藝分析

3.1 對于刀路的選擇應盡量簡單。單軸插補加工不會出現輪廓誤差，可以選0度或者是90度進行切削，平行刀路的進給方向要選擇較長邊切入。要使零件的加工精度能夠提高，就要盡可能使零件的直線輪廓平行或垂直于坐標軸來進行加工。

3.2 合理的處理拐角的加工。拐角加工分為直角過渡和圓弧過渡兩種，在必須采用直角過渡加工的，應在輪廓過渡處要降低進給速度，這在現代數控加工中可以用CAM軟件來很好的處理這類問題。另一種圓弧過渡加工，這種加工方法比直角過渡加工法要更好，因為這種走刀在加工中不會因突然改變方向而損壞刀具，拐角輪廓誤差也得以有效控制。

3.3 薄壁深腔零件加工，刀路的材料去除要均勻，進給速度、和主軸轉速要均勻減小沖擊產生。特別是留精加工余量時更應該注意，粗加工留精加工余量要大些，薄壁精加工切削量要小一些，分多次加工，避免產生振動。

4 薄壁矩形深腔體零件的銑削加工

如圖1是閩江高等師范專科學校數控加工中心對外加工的一種鋁合金材料薄壁矩形零件，加工完矩形深腔零件最薄處只有1.5mm。毛坯為矩形148×106×50的矩形鋁料。預先加工六面保證留余單邊2mm，此零件為薄壁腔體類零件在切削加工中容易發生變形。因此必須安排恰當的加工工藝，才能在盡可能小的變形情況下，加工合格。加工中，我們從工件的裝夾開始考慮、選用合適的刀具、編制合理的程序等多方面綜合考慮，最終保證了產品的質量。

工藝流程設計：

分析零件圖先加工背面，背面有四個角是圓弧角，如果先加工圓弧角加工正面內腔的時候側壁會因側壁兩側夾緊而變形影響加工精度，所以留到后續加工圓弧角。背面加工先半精加工，單邊加工量留2mm，然后加工正面。

①毛坯裝夾在平口卡鉗上，用直徑50的端面銑刀粗加工六面，保證一定的平行度和光潔度。四周每個加工面都留2mm精加工余量，加工毛坯到144×102尺寸。

②加工背面，用直徑50的端面銑刀銑平面，用直徑16的合金銑刀加工外輪廓不加工圓弧，半精加工132×82外輪廓，留2mm精加工余量。如圖2。

③在同一個設備上用平口夾具，用輕微的夾力夾住84較長側面。用直徑50的端面銑刀銑平面，用直徑12的鋁用合金刀具粗加工內腔，單邊留加工量0.7mm。下刀方式螺旋下刀逆銑，在加工內腔零件角要圓弧角過渡。刀路要均勻，進給速度、和主軸轉速要均勻減小沖擊產生。半精加工用直徑8的立銑鋁用合金刀具加工內腔側壁留加工精加工余量0.25mm，精加工用直徑6的立銑鋁用合金刀具精加工內腔側壁精加工，側壁采用順銑加工刀路。最后打孔要先用中心鉆，然后用直徑2.5的鉆頭打穿孔。為了保證孔的精度用合金銑刀直徑3的銑刀鉆孔打穿。

④在同一個設備上先用壓板固定短軸用力要均勻，用直徑12的立銑合金刀具精加工長軸方向和圓弧角，如圖3：綠色的是壓板裝夾位置先加工長軸側面和圓弧角，然后用壓板固定長軸加工短軸側面和圓弧角。特別注意的是反面加工更換壓板的時候，先固定長軸然后才卸下短軸壓板，以便減少二次裝夾所產生的誤差影響加工尺寸。

5 結束語

對矩形薄壁深腔零件加工，將加工過程分為粗加工和精加工，其中內腔粗加工路線采用從內向外逆銑加工，在粗加工毛坯厚度越厚，工件最后的變形越小。精加工用順銑加工，圓角位置要采用圓弧過渡加工。

參考文獻：

[1]李鵬.解決鋁合金加工變形的方法[J].新技術新工藝，2009.

[2]王霆，周海飛.薄壁深腔鋁合金零件的銑削加工參數研究 [J].輕金屬，2016（11）.

[3]馬廣.鋁合金薄壁零件數控加工夾具問題探討[J].制造技術與機床，2014（11）.