鋁合金薄壁件加工中變形的因素分析與控制方法

一般認為，在殼體件、套筒件、環形件、盤形件、軸類件中，當零件壁厚與內徑曲率半徑（或輪廓尺寸）相比小于1：20時，稱作為薄壁零件。這一類零件的共同特點是受力形式復雜，剛度低，加工時極易引起誤差變形或工件顫振，從而降低工件的加工精度。薄壁零件因其制造難度極大，而成為國際上公認的復雜制造工藝問題。

一、薄壁件加工變形因素分析

薄壁件由于剛度低，去除材料率大，在加工過程中容易產生變形，對裝夾工藝要求高，使加工質量難以保證。薄壁類零件在加工中引起變形的因素有很多，歸納總結有以下幾個方面：

1、工件材料的影響

鋁合金作為薄壁件最理想的結構材料，與其他金屬材料相比，具有切削加工性好的特點。但由于鋁合金導熱系數高、彈性模量小、屈強比大、極易產生回彈現象，大型薄壁件尤為顯著。因此，在相同載荷情況下，鋁合金工件產生的變形要比鋼鐵材料的變形大，同時鋁合金材料具有硬度小、塑性大和化學反應性高等性質，在其加工中極易產積屑瘤，從而影響工件的表面質量和尺寸精度。

2、毛坯初始殘余應力的影響

薄壁件加工中的變形與毛坯內部的初始殘余應力有直接的關系，同時由于切削熱和切削力的影響，使工件和刀具相接觸處的材料產生不能回彈的塑性變形。這種永久性的變形一旦受到力的作用就會產生殘余應力，而在加工過程中，一旦破壞了毛坯的殘余應力，工件內部為達到新的平衡狀態而使應力重新分布，從而造成了工件的變形。

3、裝夾方式的影響

在加工中夾具對工件的夾、壓而引起的變形直接影響著工件的表面精度，同時如果由于夾緊力的作用點選擇不當而產生的附加應力，也將影響工件的加工精度。其次，由于夾緊力與切削力產生的耦合效應，也將引起工件殘余應力的重新分布，造成工件變形。

4、切削力和切削熱的影響

切削力是影響薄壁件變形的一個重要因素。切削力會導致工件的回彈變形，產生不平度，當切削力達到工件材料的彈性極限會導致工件的擠壓變形。在切削加工過程中，刀具與工件之間的摩擦所作的功，材料在克服彈性、塑性變形過程中所做的功絕大部分轉化為加工中的切削熱，從而導致工件的各部分的溫度差，使工件產生變形。

5、加工路線的因素

金屬材料在加工過程中由于受到機械力和切削熱等因素產生的永久性變形一旦受到鄰近部分金屬材料的阻擋就勢必產生殘余應力，因此殘余應力對工件變形的影響很大程度上取決于加工路線的選取。路徑不同，產生的新的殘余應力與原有殘余應力的耦合順序和禍合效果不同，將引起工件變形的不同。

二、鋁合金薄壁件加工變形的控制途徑

1、消除和均勻內化殘余應力

薄壁件在加工中隨著金屬材料被切除，一方面會帶來原有殘余應力的釋放，另一方面會在已加工表面產生新的殘余應力，進而會影響工件的加工質量和精度。生產中，如能做到把毛坯殘余應力降低或均勻化，則可極大程度降低工件的加工變形。目前，在生產實踐中，為達到此目的，采用在原材料制作中采取化學成分控制、熔煉澆鑄和擠壓成型、固溶淬火和時效處理等方法。

2、優化刀具路徑

薄壁件加工中，走刀路徑的不同，殘余應力將產生不同的作用效果。如果走刀路徑選取的不合理，在高速加工中會出現由于切削載荷突變，給機床、工件和刀具帶來沖擊，嚴重時會損壞。在實際加工中，刀具路徑的選取可遵循以下優化規則：

（1）采用螺旋或圓弧進刀方法，使刀具漸入零件，保證加工中不產生突變的切削力，減小刀具磨損，延長使用壽命。

（2）盡量采用順銑，以便保證加工過程平穩、工件表面質量好、刀具磨損小、不產生過切現象等。

（3）要保證切削的連續平穩性，切削速度要連續，不要有大幅度的突變。

（4）選取小的軸向切深量，以減小切削力，降低切削熱，保障排屑的通暢。

（5）保證切削方向的改變時平穩逐漸的，刀具軌跡應避免尖角，課采用圓弧或其它曲線來代替。

3、改進裝夾方式

夾具是在加工中對工件起定位和夾緊作用的裝置，而在影響薄壁件加工變形的諸多因素中，裝夾應力引起的變形約占20%-60%。因此，鋁合金薄壁件高速加工中，夾具除了應滿足夾緊和定位的基本要求外，還應考慮其剛性差、易變形等因素。目前，在國外發達國家，整在使用電控永磁吸盤裝夾，它在高速加工中具有相當重要的作用。

4、選擇合理的切削參數

高速加工中的切削三要素（切削速度、背吃刀量、每齒進給量）對被加工工件的質量和精度有著直接的影響。

在高速切削加工中，隨著切削速度的增大，切削力減小，切削溫度升高，摩擦系數減小，但當切削速度Vc>1500m/min時，將會增加切削力，增大機床功率消耗。在薄壁件數控加工中，為解決易變形問題提出了基于四步（確定邊界點、確定關鍵區域、修改切削參數、修改刀位文件）的進給量局部優化法。在切削參數選擇時，應該盡量選取小的每齒進給量和切削深度，可以通過提高切削速度的方式提高進給速度。每齒進給量越小，工件表面殘留高度越低，表面粗糙度值越低。所以在高速切削中，提高零件表面質量的一個有效途徑是減小進給量，但也不宜過小，進給量過小，會增加刀具刃口圓弧半徑對工件加工表面的擠壓，增加冷硬程度和殘余應力。

（作者單位：沈陽市蘇家屯區職業教育中心）