鋁合金薄壁零件的加工工藝及變形控制分析

楊建賀 李純章 陳小明 惠曉文 丁 震

（江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湘潭 411207）

隨著加工技術(shù)水平的不斷增強(qiáng)，相關(guān)產(chǎn)品中的薄壁零部件越來(lái)越多。鋁合金因?yàn)楸戎刂笖?shù)小，比強(qiáng)度指數(shù)大，而被用在薄壁零部件中。薄壁結(jié)構(gòu)所致的關(guān)鍵問(wèn)題是剛性不佳，對(duì)應(yīng)裝夾過(guò)程很容易出現(xiàn)變形情況，從而降低了零件的加工精度。鋁合金薄壁零件加工受到一些因素影響，如鋁合金材料自身的熔點(diǎn)低，若不能及時(shí)加工此種材料，會(huì)造成刀具幾何指數(shù)的變動(dòng)，從而生成加工誤差。在材料去除過(guò)程中，材料殘余應(yīng)力被逐漸釋放，但在切削階段會(huì)存有一定的加工應(yīng)力，導(dǎo)致加工結(jié)束后產(chǎn)生零件變形。因此，相關(guān)人員要高度關(guān)注鋁合金薄壁零件的加工流程，采取科學(xué)的手段控制零件變形，才能提高鋁合金薄壁零件加工的整體效益。

1 鋁合金薄壁零件一般情況

結(jié)合鋁合金薄壁零件作用在產(chǎn)品部件的具體現(xiàn)象可知，薄壁零件的主要作用為支撐或定位，其加工余量相對(duì)較大，對(duì)應(yīng)裝夾過(guò)程優(yōu)化十分必要。相關(guān)工作人員要重點(diǎn)考慮如何以零件不變形為基礎(chǔ)強(qiáng)化生產(chǎn)水平，使批次投產(chǎn)作業(yè)更為順暢地進(jìn)行。薄壁零件一般選取2A12 7A04的材料，即典型鋁合金。其組成成分合理，綜合性能比較顯著[1]，其中最為顯著的特征是強(qiáng)度較高、可線性膨脹系數(shù)指標(biāo)高。由于零件薄壁受切削力和切削熱的條件制約會(huì)出現(xiàn)變形，科學(xué)裝夾與科學(xué)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)都會(huì)直接影響鋁合金薄壁零件的加工效果。

2 鋁合金薄壁零件的加工工藝要點(diǎn)

第一，切削速度在很大程度上會(huì)造成零件塑形變形，從而導(dǎo)致表面粗糙度較大。采取低速度的切削模式時(shí)，對(duì)應(yīng)塑性變形小，會(huì)使表面粗糙度有所降低。采取高速度的切削模式時(shí)，對(duì)應(yīng)塑性變形更小，產(chǎn)品的表面粗糙度較好。第二，由于不相同的幾何形狀均會(huì)改變切削力，塑性變形實(shí)際深度以及變形程度受刀具幾何形狀條件制約[2]。第三，進(jìn)給量以及背吃刀量出現(xiàn)變化時(shí)會(huì)引起切削力變化，對(duì)塑性變形的具體程度和變形深度影響程度更顯著。第四，工藝指數(shù)選擇以及具體加工模式存在差異，對(duì)薄壁零件切削力造成的影響更大，尤其是軸向切深的指數(shù)影響，而且環(huán)形模式切削以及斜插模式切削也是制約切削力的一種因素[3]。第五，機(jī)械加工操作在夾緊力因素與重力因素和慣性力因素作用下，會(huì)出現(xiàn)工藝結(jié)構(gòu)體系的變形，并且切削力受力點(diǎn)具體部位變動(dòng)與毛坯加工余量變動(dòng)會(huì)使工件的尺寸出現(xiàn)誤差。依托科學(xué)的切削量結(jié)果與刀具幾何指數(shù)控制切削力變動(dòng)所致的變形情況時(shí)，要確保加工余量的規(guī)范化配置多次進(jìn)行加工作業(yè)，從而最大化控制機(jī)械加工變形現(xiàn)象。

3 鋁合金薄壁零件的加工工藝具體操作

3.1 關(guān)注管理零件銑削變形

針對(duì)鋁合金薄壁零件銑削，其銑削變形呈現(xiàn)多個(gè)層面，如裝夾工件涉及的夾緊力、切削工件涉及的切削力、工件刀具切削所致的塑性模式和彈性模式變形以及切削溫度增加所致的熱變形結(jié)果等。在此階段，切削用量是影響切削力最大的因素，并且進(jìn)給量指標(biāo)與切削速度指標(biāo)以及背吃刀量指標(biāo)密切相關(guān)。若控制背吃刀量的多少使切削力降低，就會(huì)使工件表面的粗糙度增加，甚至很可能造成薄壁零件內(nèi)應(yīng)力指數(shù)加大，從而影響加工進(jìn)度[4]。然而，若在吃刀量不改變的狀態(tài)下增加進(jìn)給量，即使嚴(yán)格要求刀具性能，切削力指標(biāo)也可能增加，從而在一定程度上影響批量零件加工的有效性，甚至出現(xiàn)零件變形結(jié)果。因此，粗加工操作可適當(dāng)增加背吃刀量與進(jìn)給量，且精加工操作要將背吃刀量調(diào)整到0.3～0.5 mm，對(duì)應(yīng)進(jìn)給量大約為400 μm，并將主軸轉(zhuǎn)速制定在3 500 r·min-1之內(nèi)，以提高切削精銑的速度，以科學(xué)的配置控制切削力生成降低鋁合金薄壁零件變形的概率。

3.2 關(guān)注薄壁銑削的溫度調(diào)整

對(duì)鋁合金進(jìn)行銑削時(shí)，切削溫度不能過(guò)高，否則會(huì)造成崩碎切屑的情況，從而使切削力存在于刀刃部位。在這種情況下，需要保證刀具較高的抗彎強(qiáng)度以及韌性，如可以選擇對(duì)應(yīng)抗彎指數(shù)與韌性指數(shù)均處于合理范圍內(nèi)的鎢鋼刀[5]。明確刀具材料后，還需要確定刀具的幾何形狀并調(diào)整其尺寸。粗加工過(guò)程中，可增加前角數(shù)值，使刃口更加鋒利和切屑能夠輕松流出，以減少變形以及具體的摩擦力指數(shù)，降低切削時(shí)的切削力。精加工過(guò)程中，切削厚度顯著降低，切削力隨之減弱，加工時(shí)可選用較大后角。

3.3 關(guān)注加工方法的科學(xué)運(yùn)用

鋁合金薄壁零件粗加工，要以強(qiáng)化生產(chǎn)質(zhì)量為基礎(chǔ)。相關(guān)人員排除多余材料后，薄壁部位和其他類型零件可以一起粗加工。毛坯加工過(guò)程中，可提升各面的垂直度，便于后續(xù)工序正確裝夾。裝夾零件的過(guò)程中，一次性可進(jìn)行諸多零件的裝夾[6]。加工時(shí)薄壁的重要部分應(yīng)增加余量，避免粗加工速度和背吃刀量較大而產(chǎn)生變形。精加工階段可以考慮共同精加工兩個(gè)零件的可行性。除此之外，墊鐵操作也是一種保障加工精度的有效形式，可通過(guò)將底部薄壁視作支撐條件來(lái)增加薄壁夾緊力指數(shù)，還可以通過(guò)分層化的銑削挖槽走刀過(guò)程，均勻化釋放應(yīng)力。精加工需要滿足尺寸精度條件需求與表面精度條件需求，在多次實(shí)驗(yàn)之后獲取層次切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為400 μm，增強(qiáng)效率的同時(shí)提升零件加工質(zhì)量。

4 鋁合金薄壁零件的加工工藝與變形控制創(chuàng)新思考

以某個(gè)薄壁桶形零件為例，其外徑為180.0 mm、長(zhǎng)度為850.0 mm、最大壁厚為5.0 mm、最小壁厚為2.5 mm，存在著孔深與內(nèi)孔臺(tái)階多的特點(diǎn)。該零件的尺寸精度以及表面粗糙度都具有嚴(yán)格條件要求，因此內(nèi)孔加工相對(duì)困難，且長(zhǎng)度尺寸控制水平不強(qiáng)。此外，因?yàn)榱慵飨驈?qiáng)度存在不同，所以其內(nèi)部應(yīng)力指數(shù)大，容易造成零件變形，在零件質(zhì)量強(qiáng)化時(shí)要采取科學(xué)的方案。

4.1 選取規(guī)范化的夾具實(shí)際結(jié)構(gòu)

第一，挑選夾具設(shè)計(jì)方案，提升零件的抗變形水平，通過(guò)分析夾持零件外表面的參數(shù)設(shè)置，在夾持部位內(nèi)部配裝剛度較強(qiáng)的支撐盤，并在其外部配置彈性開(kāi)口環(huán)，保證零件局部不會(huì)出現(xiàn)壓傷，避免裝夾變形。若需要進(jìn)行零件內(nèi)孔加工，其外配強(qiáng)度應(yīng)安設(shè)加固圈，并在內(nèi)部安裝彈性開(kāi)口環(huán)，也可減少裝夾變形。第二，支撐盤與加固圈之間的間隙應(yīng)足夠小，通常控制在小于0.02 mm。在零件受到夾緊力的影響時(shí)，若彈性變形小于裝配間隙，加工完成后夾緊力對(duì)零件變形的恢復(fù)作用會(huì)逐步淡化，且零件形狀會(huì)呈現(xiàn)一定誤差，變形量會(huì)在某個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)。在獲取支撐盤和加固圈等間隙需求條件時(shí)，相關(guān)人員可適當(dāng)增加零件部位的尺寸精度（優(yōu)先選取7級(jí)）。這樣配置支撐盤以及加固圈尺寸，使裝配間隔的指數(shù)控制在對(duì)應(yīng)的范圍。第三，夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，可增加工件裝夾受力的平均面積，促使夾緊力以均勻的狀態(tài)存在于工件，尤其是銑鏜類夾具，其對(duì)應(yīng)底座以及壓板和工件的接觸面中圓弧面較多，可通過(guò)小直徑壓緊螺釘控制夾緊力，以降低工件變形的概率。第四，零件加工階段會(huì)出現(xiàn)切削熱引起尺寸增加的情況，因此夾具設(shè)計(jì)應(yīng)確保零件受熱后可自由伸縮。在軸向薄壁夾具運(yùn)用階段，可以把徑向模式轉(zhuǎn)變軸向模式，并調(diào)整夾緊力作用支撐點(diǎn)，然后在夾具活動(dòng)定位盤與工件間配置橡膠墊圈，以確保切削力足夠穩(wěn)定。若工件與心軸不存在相對(duì)位移的效果，可選取夾具定位盤受熱伸長(zhǎng)的操作方案完善零件加工變形的調(diào)整過(guò)程。

4.2 挑選冷卻潤(rùn)滑液

若要降低加工工件的溫度，應(yīng)全方位冷卻加工工件，可采用潤(rùn)滑液煤油或加入對(duì)應(yīng)機(jī)油，以達(dá)到降低溫度的目標(biāo)。對(duì)外圓精加工過(guò)程，要明確心軸裝夾的必要性。加工前應(yīng)及時(shí)把冷卻液注射在零件內(nèi)腔內(nèi)，并擴(kuò)展零件的散熱面積，使工件綜合溫度能夠穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

4.3 對(duì)零件表面進(jìn)行保護(hù)

因?yàn)殇X合金的強(qiáng)度和硬度較低，很容易產(chǎn)生零件表面劃傷的現(xiàn)象，所以運(yùn)用中心架支撐時(shí)，支撐和工件間的松緊程度應(yīng)足夠合理，且?jiàn)A緊時(shí)要均勻控制3個(gè)爪的受力程度。另外，還可增加牛皮帶保護(hù)措施，以取得優(yōu)質(zhì)的夾緊效果。由于桶形零件的長(zhǎng)度較大，加工過(guò)程中要管理刀桿懸臂部分自重[7]。對(duì)工件內(nèi)孔進(jìn)行加工制作時(shí)，刀桿伸進(jìn)內(nèi)孔的長(zhǎng)度為700 mm，若選取普通形式的刀桿進(jìn)行加工，會(huì)使刀桿懸臂部分生成較大的力矩指數(shù)。為了減少加工時(shí)的相關(guān)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)設(shè)置配重刀桿：第一，裝刀的一側(cè)以圓錐形為主，減少刀桿懸臂自重，且不會(huì)對(duì)刀桿強(qiáng)度產(chǎn)生影響；第二，在加長(zhǎng)刀桿后側(cè)設(shè)置一段懸臂，以抵消前側(cè)刀桿質(zhì)量以及切削力的力矩，使鋁合金薄壁零件加工精度達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鋁合金薄壁零件的加工與變形控制中，相關(guān)人員要盡量區(qū)分粗加工模式與精加工模式。在加工過(guò)程中，可通過(guò)多次調(diào)頭的操作實(shí)施多次裝夾，以實(shí)現(xiàn)間隙加工的標(biāo)準(zhǔn)，從而適當(dāng)減少零件的加工溫度，避免出現(xiàn)變形的情況。工作人員可適當(dāng)調(diào)整工件加工的尺寸和表面粗糙程度，從而優(yōu)化零件的加工流程，使鋁合金薄壁零件加工工作更加高效。