鋁合金復雜特征薄壁零件加工變形控制技術

姚建邦

（阜陽工業經濟學校，安徽 阜陽 236000）

鋁合金零件具有復雜的形狀，對其形態有很高的要求，并且橫截面尺寸較大，造成零件加工剩余量較大，降低了鋁合金零件的剛度[1]。同時，由于加工變形技術較差，在受到切割力、設備振動等因素影響，容易導致零件發生變形，從而影響鋁合金零件的精確度。

1 鋁合金薄壁零件加工變形控制技術的影響因素

鋁合金具有較低的變形應力，加工過程中容易出現碎屑。較低的模量極易導致發生較大的彈性形變，對加工鋁合金零件表面的光滑度和零件尺寸準確度有很大的影響。通過切割技術加工后，零件截面的形變導致零件內部的殘余應力位置分布發生變化，進而出現不能恢復的形變。

在零件加工技術中不合理的技術參數，例如較大的切割力容易導致零件發生大幅度的形變，影響零件的標準尺寸。切割時由于切割熱應力與切割抵抗力的協同作用，可能會引起零件發生形變。同時，鋁合金薄壁零件較差的剛性，加工過程中零件彈性形變容易產生。夾緊力和支撐力的作用點位置不當，也會引起附加的作用力[2]。

如果受力不均，容易造成鋁合金薄壁發生擠壓形變，也可能導致加工零件發生移動，進而影響零件的精確度。薄壁零件切割加工時，豎直切割方法的選用對于零件腹板的準確加工有一定的影響，水平切割方法的選用則影響著側壁的加工準確度。此外，加工機床與校驗精度、零件剛度、加工溫度、切割工具的磨損程度和冷卻情況等均有密切的聯系。

2 鋁合金薄壁零件加工變形控制技術設計

由于大部分鋁合金零件的形態不規則，在加工時不能做到放平加工，所以要設計特定的技術樁進行零件的支撐。技術樁自身會受到作用力的作用而產生形變，通常不可以作為標準。在零件加工過程中，技術樁需要貫穿零件的上下部。

鋁合金零件加工中，一般利用球形標準進行參考，輔助技術標準也是不可或缺的。由于大多數加工的零件設計多個位置，如果零件位置不穩定，零件的準確度也難以達到零件標準。大型的鋁合金薄壁零件在切割過程中通常利用“2X2Y4Z”標準方法，其基于X、Y軸上設定相應的標準，并設計標準板塊。

加工時利用較遠距離的標準板塊作為技術標準，較勁距離的標準板塊作為輔助核驗標準，此兩個標準板塊的直線度應不超過0.01mm。加工流程為：去除加工剩余量的粗加工，以及獲得精確加工的精加工。在每步加工完成時，均要擰松技術樁上的螺絲。

由于松開的螺絲，殘余應力發生釋放并導致零件產生形變，從而導致技術樁也發生形變[3]。為了確保標準面的精確度，在每步加工完成后，都要對技術樁進行松開螺絲的操作，進而釋放殘余應力。

切割技術是鋁合金零件精確加工的重要保證，首先要按照材料以及加工特質選用適當的切割工具，然后根據切割加工技術和工具材料設計相應的參數。其中，常用的切割工具材料主要有金剛石、涂層、合金等，其在提高鋁合金零件表面的光滑度在實際應用中效果十分突出。

冷卻液的采用，對減少切割工具磨損、提高零件加工質量和效率、都有十分重要的意義。粗加工過程中，切割大局直徑和需求量較大，容易生成切割熱量，從而提高切割刀具的磨損速率。

冷卻液的應用，可以降低加工環境的溫度，主要的冷卻液有離子型冷卻液或4%的乳化液。由于切割刀具耐熱性較好，通常不需要使用冷卻液；在使用時，需要不斷地澆注，以免導致受熱不均，容易產生較大的熱應力甚至出現裂紋，從而損壞切割刀具。精準加工過程中，冷卻液的可以有效地降低零件表面的粗糙程度和提升零件的加工精確度[4]。

在鋁合金加工時，選擇冷卻液在一定程度上可以達到很好的實際效果。在切割過程中選用合適冷卻液的耗能主要利用在形變功率、鋁合金材料與碎屑間的摩擦耗能。在實際應用中，冷卻液的潤滑性能越高，切割力的減少也越為明顯，如表1所示。

表1 冷卻液對于切割力降低率的影響

CAM軌跡設計是零件加工準備過程的關鍵，其質量對零件加工周期和確保零件加工效率具有十分重要的意義。其中，精加工選用固定的軸輪切割工具，并且工具有一定的方向。在切割工具發生移動時需要改變切割方向，例如鋁合金零件的側壁加工時，必須選用可變軸進行切割，即使用多軸切割加工。

在加工鋁合金引擎蓋部件時，該部件的加工要求較高，針對部件上的孔，切割工具不可以直接跳過，否則軌跡會在孔的下緣構成圓形角。

為了保證切割軌跡保持平穩，可形成過渡曲面，并連接引擎蓋，進而確保孔緣的構成質量[5]。加工方法利用定軸切割，驅動方式多為曲面方式進行驅動，此方式不會出現過度切割現象，切割刀具軌跡正常。

所以在加工鋁合金引擎蓋時具有很高的技術要求，必須保證軌跡平穩，盡可能地較少切割刀具的波動。引擎蓋的曲面和邊緣應單獨構成切割軌跡，以使切割工具軌跡穩定變化。在加工時如果涉及不到的零件部位，例如內圓角，則需要利用清根切割驅動方法進行切割。

3 結語

結合鋁合金零件的加工變形控制技術的影響因素以及設計進行分析和研究，總結了利用有限元研究方法對零件加工進行控制加工形變。不但可以提高零件加工的生產效率，而且能夠保證鋁合金薄壁零件的加工精確度，對于其他行業的加工控制變形也有著一定的指導作用。

[1]王民,劉宇男,孫國智,等.初始殘余應力和切削殘余應力對薄壁件加工變形的影響[J].北京工業大學學報,2017,43(8):1141-1147.

[2]何澤地,田東寧,楊金川,等.薄壁球殼真空吸附裝夾變形力學分析與控制[J].兵工學報,2017,38(7):1409-1415.

[3]王忠平,張曉鴻,陳靜青.基于生死單元法的鋁合金薄壁型材銑削有限元模擬[J].輕合金加工技術,2017,45(4):41-46.

[4]趙盼,趙剛要,張冉陽,等.芯模轉速對鑄態7075鋁合金強力熱反旋筒形件壁厚分布的影響[J].熱加工工藝,2017,08(11):159-162.

[5]李軒穎,徐雪峰,王繼,等.基于薄壁環壓縮的鋁合金管材應力-應變行為[J].中國有色金屬學報,2017,27(10):2020-2028.