鋁合金薄壁件加工過程變形控制

周旭陽

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，鋁合金材料至關(guān)重要，鋁合金材料具有比強(qiáng)度高，而且具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，應(yīng)用最多的是在航空工業(yè)中。在航空工業(yè)的制造技術(shù)快速發(fā)展的背景下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金工件逐漸整體化，成為了一種趨勢，鋁合金結(jié)構(gòu)件是由整塊胚料加工成型的，并且需要的加工量較大，較為精細(xì)，大多數(shù)為薄壁件。例如大多數(shù)的骨架工件，經(jīng)常采用大塊毛坯直接挖空來作為主承力的構(gòu)件，制作薄壁件所切除的材料高達(dá)86%。相對于傳統(tǒng)的加工方法而言，對鋁合金材料進(jìn)行加工時會經(jīng)常出現(xiàn)工件變形。本篇文章主要是從工藝支撐和切削技術(shù)等多方面研究了鋁合金薄壁加工變形的問題，提出了解決措施。

1 鋁合金薄壁工件加工變形控制技術(shù)的影響因素

影響薄壁件加工出現(xiàn)變形的因素包括鋁合金自身特征、技術(shù)參數(shù)、受力不均以及夾裝的方式等。經(jīng)過實(shí)踐研究可分析出，造成加工變形的過程如下：

1.1 鋁合金的自身特征影響著薄壁工件的變形加工

相對于鋁合金自身而言，并沒有較強(qiáng)的變形應(yīng)力，當(dāng)受到強(qiáng)勁外力的作用時，及其出現(xiàn)變形，若在加工過程產(chǎn)生過多的鋁屑，會與加工過程的強(qiáng)勁外力相互影響，進(jìn)而致使鋁合金薄壁件出現(xiàn)變形，以此會影響到鋁合金薄壁件的精度、尺寸大小以及表面的光滑度，另外，加工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也是會影響薄壁件的內(nèi)部與截面的，在殘余應(yīng)力的作用下，會造成鋁合金內(nèi)的原子出現(xiàn)偏移的狀況，進(jìn)而所形成的形變無法修復(fù)，間接使鋁合金薄壁件的精度出現(xiàn)誤差。

1.2 鋁合金薄壁件加工的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

若工件加工的技術(shù)所參考的技術(shù)參數(shù)不合理，會嚴(yán)重影響鋁合金薄壁件變形的程度，比如，加工時需要的切削力較大，所用刀具會出現(xiàn)磨損，使鋁合金薄壁件產(chǎn)生形變的程度增大，降低了薄壁件的質(zhì)量，使其達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，以至于工件的尺寸達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，存在偏差。除此之外，鋁合金薄壁件在加工中抵抗力與熱應(yīng)力兩者頻繁相互影響，再加上技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理，鋁合金薄壁件發(fā)生變形的可能性很大。鋁合金薄壁件有著剛性弱、易變性的缺點(diǎn)，若用力過大使用夾具，會致使支撐力作用點(diǎn)與其他的作用點(diǎn)所設(shè)置的參數(shù)不恰當(dāng)，進(jìn)而會生產(chǎn)附加的作用力，造成薄壁件發(fā)生變形，簡單來說對鋁合金薄壁件加工就是刀具和鋁合金工件之間的作用，兩者會在加工過程中出現(xiàn)拉伸、擠壓的問題，此問題也是會使鋁合金薄壁件產(chǎn)生變形且無法修復(fù)。

1.3 受力不均，容易產(chǎn)生形變

在對鋁合金薄壁件加工的過程中，薄壁件若受力不均勻，會因受到作用力施壓，出現(xiàn)變形，進(jìn)而使工件出現(xiàn)位移現(xiàn)象，對薄壁件的精度帶來不利影響，另外在加工的過程中，薄壁件的精度還會受到所選擇的切削方向所影響，所選擇的不同加工方向是造成工件變形的主要原因，由于鋁合金薄壁件的厚度并不厚，無論選取的夾具是什么類型的，在任何方向都是會生成夾緊力的，進(jìn)而薄壁件會受到不同程度的壓力，從而使側(cè)壁件在加工時的精度受到影響，并且方向的不同，溫度冷卻、切削工具在加工時的磨損、薄壁件加工時的摩擦與剛度、機(jī)床校驗(yàn)對的精確度都是會造成鋁合金薄壁件發(fā)生變形的因素。除此之外，若實(shí)際的加工未應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，會使工件的散熱速度增快，受力不均勻，使在加工過程中薄壁件出現(xiàn)變形。

1.4 刀具對工件的作用

第一，切削熱。在切削操作中，切削熱主要是由各種變形和刀具與工件所產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)化而來的，可使工件的各個部位的溫度不均等，進(jìn)而發(fā)生變形。

第二，切削力。刀具切削力作用在工件的表面使其恢復(fù)彈性之后平整度不高。因?yàn)楸”诩膬?nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以加工時削用量不能相同。并且位置的不同壁厚是不均勻的，以至于在削力作用下加工各個位置的變形量不同，在工件的表面使其恢復(fù)彈性之后壁厚存在誤差。

2 鋁合金薄壁工件加工變形控制技木設(shè)計(jì)

2.1 合理的設(shè)計(jì)工藝支撐，減少薄壁件加工的變形

在實(shí)際的薄壁件加工過程中，會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的薄壁件的外形沒有規(guī)則性可言，這對工藝支撐的設(shè)計(jì)有一定的要求來做支撐力，對其加工時不能放平，所以工藝支撐需要特殊設(shè)計(jì)，來滿足薄壁件的支撐條件，順利完成施工。所以，要全面考慮加工受熱與應(yīng)力的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)合理有效的工藝支撐，確保鋁合金薄壁件在受到作用力時自身不會因此發(fā)生變形。工藝支撐因?yàn)樵趯?shí)際的加工設(shè)計(jì)時沒有可參考的標(biāo)準(zhǔn)，但工藝支撐要在薄壁件的下方進(jìn)行貫穿，因此需要結(jié)合薄壁件的需求對工藝支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋁合金薄壁件在加工時所參考的依據(jù)可能會采用球形標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮薄壁件的情況，制作技術(shù)輔助支撐發(fā)揮輔助作用也是很有必要的，固定工件所在的位置。因?yàn)榇蟛糠值谋”诩庸ば枰啻无D(zhuǎn)換位置，若工件缺少固定的位置，所進(jìn)行加工的薄壁件位置有很大的可能性無法達(dá)到要求。在通常情況下加工方式選取的為“2X2Y4Z”，在正式加工前需要在X和Y軸上設(shè)置數(shù)據(jù)坐標(biāo)，在加工的過程中，要將遠(yuǎn)技術(shù)坐標(biāo)加以利用，以此為參考技術(shù)坐標(biāo)，輔助坐標(biāo)可選取近距離的坐標(biāo)設(shè)計(jì)板塊，加工完成后實(shí)施薄壁件核驗(yàn)操作時，近距離和遠(yuǎn)距離之間的直線度要小于0.01mm。另外，要有序的進(jìn)行加工，第一步是粗加工，先將薄壁件加工所剩的余量清除掉。第二步是精加工，前提是要考慮薄壁件的需求，需要格外注意的是按照技工的實(shí)際情況來對工藝支撐上的螺絲進(jìn)行擰松操作，對殘應(yīng)力進(jìn)行消除所釋放造成工件變形，為薄壁件的精確度做保障。

2.2 合理的設(shè)計(jì)切削技術(shù)

切削技術(shù)是加工過程中的關(guān)鍵，要將加工工件的外形與鋁合金材料綜合考慮 ，根據(jù)實(shí)際狀況選取切削工具，然后再綜合考慮加工中受熱、應(yīng)力與摩擦力，根據(jù)實(shí)際狀況選取切削工具，以加工所用工具材料和技術(shù)為參考依據(jù)，選擇參數(shù)，加工鋁合金，以上所述的技術(shù)與要點(diǎn)都會對鋁合金薄壁件的光滑度帶來嚴(yán)重的影響。借助于高速切削對薄壁件進(jìn)行技工具備多種優(yōu)點(diǎn)，包括低溫切削、精度高、效率高，在加工過程中切削的速度越快會使切削溫度與切削力增加的越快，因此在鋁合金薄壁件加工時，會因?yàn)榧庸げ牧媳砻娉霈F(xiàn)軟化現(xiàn)象而產(chǎn)生黏滯狀的問題，這種問題在對工件形狀產(chǎn)生影響的同時還會使工件出現(xiàn)變形，摩擦系數(shù)會在切削變薄的狀況下逐漸縮小，所生成的切屑也會在此過程中順帶一些熱量，致使薄壁件在加工中產(chǎn)生了工件受熱不均勻的問題，進(jìn)而使工件發(fā)生變形，所以，在工件加工過程中需要應(yīng)用高速切削技術(shù)，避免工件的切削溫度下降，并且還會在一定程度上使工件加工周期縮短，降低工件發(fā)生變形的概率。使工件薄壁件的精度更準(zhǔn)確。

2.3 合理冷卻液的選擇

在對薄壁件進(jìn)行加工時，要科學(xué)合理運(yùn)用冷卻液，對工件加工時產(chǎn)生的溫度進(jìn)行控制，可以有效提高工件的加工質(zhì)量和加工效率，以及降低切削工具的受損程度。在工件進(jìn)行粗加工時，對其需要切削較多的材料，因此會生成較多的切削熱量，并且刀具也會受到較高的受損，這種情況就要選取的冷卻液主要目的是使鋁合金加工環(huán)境的溫度下降，正常情況選取的冷卻液類型為離子型冷卻液，需要在實(shí)際的操作過程中連續(xù)進(jìn)行添加，防止在此過程中的工件受熱不均勻，致使工件因受熱不均勻產(chǎn)生裂紋，在工件進(jìn)行精加工時，工件的表面會因應(yīng)用冷卻液變得光滑，工件加工的精度也會因此變得更高。要想有效調(diào)控工件加工的精度就要盡可能選擇適合的冷卻液，進(jìn)而降低切削時的消耗量，影響著材料與碎宵之間的摩擦力與工件變形的功率。在實(shí)際操作中，切削的減少量會受到冷卻液冷卻性與潤滑性兩大特性的影響明顯增加。在通常情況下，應(yīng)用冷卻液和切削力、切削速度之間的關(guān)系可從下表1看出。

表1 冷卻液與刀具切削力、切削速度的關(guān)系

2.4 合理對夾具進(jìn)行控制

在運(yùn)用傳統(tǒng)的方式加工薄壁件所選用的夾具，通常為平口鉗，所選取的回轉(zhuǎn)類夾具對其裝夾時的方式有自定心三爪、四爪卡盤等，在實(shí)際應(yīng)用這些夾具的過程中，加緊方向的不同所產(chǎn)生的夾緊應(yīng)力和拉應(yīng)力是不同的，加工薄壁件時會因夾緊應(yīng)力的產(chǎn)生而達(dá)到需求。不過，當(dāng)卸下工件與夾緊應(yīng)力之后，會受到彈性恢復(fù)兩種作用力，工件會有存在收縮現(xiàn)象，致使工件發(fā)生變形，為對此問題做有效的處理，可在粗加工環(huán)節(jié)中存在加工余量時使用平口鉗裝夾，在精加工環(huán)節(jié)中，可根據(jù)實(shí)際的加工狀況，選取合適的夾具降低工件變形的程度，進(jìn)而滿足設(shè)計(jì)要求。但需要注意的是精加工環(huán)節(jié)所使用工裝、專用夾具需要改變，降低裝夾對工件的影響，滿足相關(guān)要求中的形位公差與尺寸精度。比如，要想使工件在吸附在盤上，可利用真空吸附裝夾的方式，將工件的底部使用特殊的密封條進(jìn)行密封，之后抽空工件的底部，最后對其進(jìn)行加工。若切削工具移動，切削的方向要隨之改變，還要考慮工件對的外形來選擇恰當(dāng)?shù)膴A具，借助多軸加工切削的方式對其進(jìn)行切削，以此來使工件加工的效率特高，降低工件變形的概率。

2.5 選擇合理的切削參數(shù)

在對工件進(jìn)行切削時，切削參數(shù)的選擇和切削熱、切削力兩者的關(guān)系十分密切，加工的質(zhì)量、工件表面的精度、機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的性能、所用材料和刀具決定著切削參數(shù)的選擇。

在對工件進(jìn)行銑削時，各項(xiàng)參數(shù)需要與下式相對應(yīng)：

上式中的Vf、fz、n、z分別代表的是進(jìn)給速度、每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、銑刀齒數(shù)。

上式中的n、V、D分別代表的為主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、刀具直徑。

上式中的η、ap、ae、Vf分別代表的為材料去除率、銑削深度、銑削寬度。

在切削參數(shù)進(jìn)行確定時，一般情況下都是依據(jù)加工所用的材料和刀具以及品質(zhì)，首先對主軸轉(zhuǎn)速的確定可根據(jù)主軸直徑與切削的速度，之后以手冊為依據(jù)選取銑刀每齒進(jìn)給量，然后將銑刀刃數(shù)根據(jù)上式（1）進(jìn)行計(jì)算，算出刀具進(jìn)給的速度。

相對于一般的銑削加工而言，使用高速銑削對其進(jìn)行加工，所得參數(shù)具備的徑向切深和小切深較大、并且切削速度較快、中等每齒進(jìn)給量較多，其中大徑向切深的長度在刀具直徑的百分之五十到百分之九十之間，所以高速銑削有著“少切快跑”的優(yōu)勢。在確保加工精度的情況下使加工效率提升。在條件相同的情況下，對鋁合金薄壁件加工盡可能使用高速銑削的方式。

3 結(jié)束語

在對鋁合金薄壁件加工的過程中會受到多種因素的干擾，因此需要根據(jù)加工工件實(shí)際的變形問題，有針對性的選取控制加工變形的技術(shù)，對工件的外觀做深入的分析，并且在加工過程中還要對薄壁件的外形、散熱、受熱以及夾具等多種情況做全面的考慮，可采用冷卻液、選擇夾具等技術(shù)去控制工件的精度，此做法在高度提升薄壁件生產(chǎn)效率的同時，還可以確保薄壁件加工的精度維持在合理的范圍內(nèi)，對薄壁件成產(chǎn)的過程有較大的影響。