鋁合金零件加工變形原因分析及工藝控制對策探討

任志鵬

（南京高精軌道交通設備有限公司，南京 210000）

在當前輕量化設計與制造的發展中，鋁合金材料具有低密度、優良的抗蝕性、導熱性、導電性等優點，被廣泛應用在航空、汽車、高鐵、醫療等領域內。但是鋁合金材料有導熱性能好、膨脹系數大等特性，如何控制變形是非常重要的問題。

1 鋁合金零件加工的變形現象

1.1 鋁合金零件的特征

由于鋁合金零件具備重量輕、結構緊湊等特征，因此廣泛運用在各個領域內。文中以薄壁鋁合金零件進行分析，其中鋁合金零件由于剛性差、強度低等特征，在實際的加工當中工藝性能非常差，尤其是切削加工當中，很容易產生翹曲變形的情況。在傳統的銑削加工當中，存在熱變形力、應力變形情況，加工的時候鋁合金零件會發生彈性形變導致扭曲，這樣生產出來的零件無法達到設計要求，產品合格率低。但是在具體的加工過程當中，如果選擇合理的刀具、夾具、切削液、銑削方式，合理控制熱量、應力變形等，能夠取得更好的效果，也能夠保證成品合格率。

1.2 工程案例

文中以某導熱框架為例，屬于典型的薄壁零件銑削加工，該零件材料為LF6-R，但是零件形狀并不復雜，為確保高導熱框架在工作的時候，能與發熱期間保持緊密接觸具備良好的散熱性能。因此該零件的兩側薄壁為0.75MM，內框厚度為1.25MM。框架各個面之間有比較高的公差精度，該零件在銑削加工方面對定位、夾緊、冷卻、切削等等，在各個方面都具有很高的要求。在傳統的加工當中，鋁合金零件是在立加設備上，使用鍵槽銑刀，冷卻液外冷進行加工。但是在實際的加工當中存在粗加工和精加工的方式，也有精密性程度不同的夾具，但是對于本次實驗的零件，加工精度非常高，在刀具使用的時候，刀具切削過程很容易形成積削瘤，增加切削的難度，導致加工出來的槽壁無法達到精度要求，而且在薄壁位置存在扭曲變形的現象，夾緊力不僅僅影響平面厚度的尺寸精度，從而無法達到技術要求。而扭曲變形的現象也更加突出，無法保證該平面的平面度，平面也無法達到具體要求，因此零件的報廢程度也非常高[1]。通過對其進行改進之后，將傳統的加工方式進行改進，也就是在加工過程中合理選擇夾具、刀具、切削液、銑削方式等等，從而控制應力變形的情況，降低熱變形力，從而提高產品的合格率。

圖1 產品示意圖

2 產生變形的原因

鋁合金零件產生變形的原因比較多，經過對實驗分析，發現機械加工過程當中產生的原因非常多，比如物理性能影響、零件結構形狀、工件裝夾、切削過程參數等等這些因素，都會對鋁合金零件的性能產生影響，直接導致機械變形。從根本上來看，存在變形的原因有：

（1）力的作用導致變形，毛坯內部應力釋放觸發變形所導致，無論是毛坯的初始狀態如何，在內部，工業零件使用的時候都會出現內部應力積聚的情況，這種應力聚集在毛坯工件當中，在加工之前處于平衡狀態，但是在加工的時候，切削過程中內部會出現連續性的破壞，導致內部應力重新分布，導致工件的變形。而且在切削加工的過程中，刀具對被切金屬產生很大的擠壓壓力，導致工件材料產生了塑性，產生彈性變形的情況。對于大型零件的加工，應該采用仿形加工，預計工件裝夾之后可能產生的變形量，加工的時候要在相反方向預留出可能存在的變形量，可以防止零件在裝配之后的變形量。

（2）裝夾影響、定位要等導致變形，在實際的施工當中，工件裝夾和定位過程當中，由于夾緊力大小控制不當，導致夾緊力作用位置不夠科學合理，導致工件局部產生一定的彈性形變，在加工之后，撤去夾緊力，工件就會出現變形的情況。當工件上存在幾個方向的夾緊力作用，應該充分考慮先后順序，而且工件與支撐夾緊力應該先作用，且不應該太大，應該平衡切削力。

（3）熱作用導致的變形，金屬在切削的過程中，存在塑性變形，從而與道具、切屑過程當中產生劇烈的摩擦，在這個過程當中勢必會產生很大的切削量。在加工的時候如果這些熱量沒有及時分散傳導出去，工件就會存在熱膨脹的現象，導致工件變形，最終影響到工件的加工精度。

（4）工件的材質、結構都會影響到工件變形，實際上變形量的大小和形狀、復雜程度之間成正比，和材質的剛性、穩定性成正比，因此在設計的時候需要盡可能減少這些因素對加工件變形的影響[2]。

3 鋁合金零件加工變形原因分析及工藝控制對策探討

3.1 內應力的消除

在實際的生產當中，無論是鑄造還是鍛造的鋁合金毛坯材料，都存在內應力的可能。在加工之前，通常應該加強對內應力的處理。在實際的分析當中，明確內應力在毛坯材料當中處于一種平衡狀態，但是在機加工當中的切除一部分材料之后，原本的內應力平衡狀態就被打破，在加工之后內部應力被打破且重新分布，產生形變的可能性。因此在切削加工之前應該機械能消除退火、人工、自然時效處理、錘擊振動等方式，消除毛坯當中存在的內部應力，能減少后續切削加工當中由于內應力而導致的變形。另外，預加工的方式也是比較有效的處理應力的方式。對加工余量比較大的毛坯部件，由于加工當中切除量比較大，因此在加工之后變形的可能性也越來越大。對于這種現象，采用分步加工的方式，先取出毛坯大部分余量，之后放置一段時間之后，使用粗加工的方式，讓內應力得到充分釋放，然后再使用后續半精加工、精加工的方式來加工，逐步縮小加工余量可能存在應力破壞，不斷提高精度，有效減少因為連續施工導致工件變形的可能性，避免了后續施工當中存在的加工變形的可能性。

3.2 刀具的切削性能的改善

在加工的過程中，影響刀具切削性能的參數比較多，比如刀具材料與刀具參數等，都會影響到切削過程當中的力度和溫度，合理選擇刀具能減少零件加工變形當中存在的變形可能性[3]。

（1）參數選擇；首先合理選擇刀具的參數。①刀具前角，保持刀刃強度，在此前提下，鋁合金零件的加工通常會選擇一些比較大的前角，這樣就能夠切削磨削出鋒利的刀刃，能夠降低切削力避免出現切削變形的可能性，并且能夠快速排出磨削屑，保證順利排出，同時另外切削力也不斷減少，避免了切削過程當中存在的擠壓塑性變形的可能性，降低了切削熱量的存在，降低了區域面積存在的問題。而且尤其要注意鋁合金切削的時候，避免使負前角刀具。②刀具后角，后角大小能夠影響到后刀面的磨損，以及影響到加工表面的質量。切削厚度的影響因素是后角。在粗銑的時候往往過于追求效率，因此采用大的進給量來切削重，從而產生比較大的切削量，這對刀具的散熱性能提出了更多要求。因此在實際的加工當中應該選擇小一點的刀具后角，同時精銑的時候也要追求質量，盡量選擇刀刃鋒利，盡量減少后刀面和加工表面之間的摩擦，因此盡量選擇比較大的刀具后角。③螺旋角，會影響到銑削過程當中的平穩性、銑削力，可以避免銑削過程中出現振動的情況，避免波動和變形，因此盡量選擇銑刀螺旋角。④主偏角，一方面可以適當減少主偏角，能夠延長刀具刀口和加工面之間的接觸來改善散熱條件，可以降低平均溫度；另一方面主偏角大小也會直接影響到銑削過程當中的徑向力大小，因此實際的加工當中盡量降低徑向力，減小工件的變形。

（2）合理選擇刀具結構：①使用梳齒銑刀來增加容納碎屑的空間，因為鋁合金的材料塑性比較好，切削過程當中容易產生變形，而梳齒銑刀在特定直徑下容納空間比較大，可以緩解切屑堆積而引起的擠壓變形；②使用雙正前角銑刀，這種刀具在實際的加工當中都不容易產生積屑瘤，切削力穩定且變形小[4]。

（3）嚴格控制刀具的質量。①提高刀齒的表面質量，在使用之前使用細油石輕磨幾下，從而去除磨刀細齒切削表面的粗糙度，可以降低因為內部摩擦產生的切削熱，也可以減少切削變形的可能性；②嚴格控制刀具的磨損標準，刀具切削在一段時間之后必然會存在磨損，刀具表面質量下降很容易增加粗糙程度，導致部件發熱、產生變形量。因此在實際的加工當中應該選擇耐磨性能好的刀具材料，從而防止變形。

3.3 工件裝夾方式的改善

在生產加工當中，由于剛性比較差，因此需要針對不同部件的特征進行控制。①針對薄壁型襯套零件，針對這種部件，加工的時候一定要夾緊，比如使用軸向端面壓緊的方式來避免變形；②針對薄壁板類型零件，可以選擇真空吸盤來加以控制。另外，也可以在精加工即將完畢之前，松一下壓緊部件來恢復彈性，之后在壓緊，保證精加工的壓緊力即可。

3.4 刀具加工路徑的優化

在傳統銑削加工當中，粗銑的時候為了提高加工效率，往往會選擇大切、快給進的加工方式，這種方式切削力度比較大，刀具很容易變形，同時對的夾緊力也非常大，導致工件變形。但是在現代化發展的過程中，CAD/CAM 技術的廣泛運用，能夠很好規避傳統加工當中的曲線，能夠生成合理的刀具路徑，保證加工效率，也可以科學控制變形[5]。

3.5 合理安排加工順序

在加工的過程中，應該按照鋁合金的具體特征，做好變形控制，才能保證生產的合理性和科學性；①粗加工、精加工分離，能充分釋放粗加工引起的變形可能性。對于精度要求比較高度零件，粗加工完畢之后放置一段時間再進行精加工；精加工能夠修正粗加工存在缺陷，也可以修復變形的可能性，從而保證零件的精度；②對稱加工，同時降低切削的溫度，當加工余量比較大的情況下，單方面連續加工熱量集中、散熱比較難，因此選擇對稱雙面多次加工來改善散熱條件，避免應力集中存在缺陷。③多型腔加工，對于同一方向有多個型腔的零件，加工的時候選擇逐層加工的方式完成，可以消除零件受力不均勻導致的變形。

4 結語

基于實際加工需求，如何控制加工變形量，保證產品和加工質量，成為當前發展當中需要深入思考的重要問題。在實際的加工當中，合理控制加工變形的工藝措施，重點控制力、溫度，也就是控制加工過程當中在工件上的力，比如應力、溫度等。