鋁合金結構件加工變形分析與控制

張起宏，李夢龍

中航光電科技股份有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

鋁合金結構件的加工一般是采取將板料以“雕刻”的形式進行切削，原材料去除量通常在70%以上，余量較大。對于薄壁工件，粗加工時會產生較大的切削力和較多的熱量，工件會出現應力變形和熱變形。同時，在加工過程中，由于原材料被部分去除，毛坯原始殘余應力均衡受到破壞，工件自身應力重新分布，形成新的均衡，以至于造成工件變形。因此，抑制和降低數控加工中的變形是確保加工精度的關鍵所在。

在工件加工過程中，自身剛性低、加工時受力變形、裝夾變形，以及撤除壓緊力時因回彈而造成的工件變形等，都會影響零件的加工精度。有的工件由于變形量較大，所以直接報廢。影響工件加工精度的因素主要有：工藝方案、定位和裝夾方式、加工用刀具、加工順序以及走刀軌跡等。

2 工藝方案

工藝方案是否合理最能反映在加工過程的穩定性和加工精度上。

針對有必要進行兩面加工的結構件，一般有兩種工藝：一種是一面進行粗、精加工合格后，再加工另一面；另一種是先進行雙面粗加工，然后進行雙面精加工，粗加工時去除大量材料，釋放殘余應力，然后進行精加工，從而減少工件變形。

對于工件外形尺寸較小且自身剛性高的工件，一般采用第一種加工方式，工件變形對加工過程的影響不大，不影響最終的零件質量，而且可降低反復裝夾次數，縮短加工時間；對于工件外形尺寸大的薄壁類工件，若采用第一種加工方式，由于在加工完一面時，工件變形嚴重，容易出現翹曲變形，此時另一面還沒有加工，使用矯正步驟降低變形量很不容易實現，而且會使另一面加工時厚度不一，表面質量較差，因此薄壁類工件更適于采用第二種加工方式。

此外，工藝方案設計要考慮到加工過程中的剛性改變，最好能提高工件在加工過程中的剛性，這就要求確定好外形和內腔的加工順序。當工件自身剛性高時，第一步不論是加工外形，還是加工內腔，加工過程中剛性改變不大，不影響加工精度。而對于需要雙面加工的薄壁工件，通常在粗加工后，應先精加工內腔，外形留有余量，這樣工件的剛性才比較穩定，不易出現加工變形。最后再精加工外形。

3 定位和裝夾方式

3.1 定位方式

一面雙孔定位是加工中使用最多的一種定位方式，其定位精確，定位結構簡單，拆裝工件快捷。圓柱銷定位結構如圖1所示，圓柱銷1限定X、Y方向的自由度，圓柱銷2限定X方向移動和Z方向旋轉，兩個銷共同限定了X方向平移的自由度，出現了重復定位。由于定位用孔的中心距和孔的大小會有加工誤差，所以同一批工件會出現圓柱銷干涉，導致出現工件不能順利安裝的現象。在實際生產中，由于粗加工工件變形量大，所以使用這樣的定位方法，加工后頻繁出現圓柱銷無法取出的現象，而強制取出后，二次裝夾和首次裝夾的誤差大，甚至無法使用先前的孔定位，致使工件隨后的加工無法進行。

圖1 圓柱銷定位結構

為了防止X方向平移的多余定位，并完全考慮工件變形的影響，可采用在機床工作臺上安裝定位塊的方法來處理。圖2所示為兩定位塊方式定位結構，定位塊1可以限定Y方向平移，定位塊2可以限定X方向平移，定位塊1和定位塊2同時限定了Z方向的旋轉。這種定位方式能夠快速定位，并且能確保工件重復定位的精準性和可靠性，降低了加工過程中工件變形的影響，即使粗加工的變形量較大，也不影響工件的取放。

圖2 兩定位塊方式定位結構

除了上述定位方式外，目前還有采取專用工裝定位的，即在工裝上加工出與零件外形一樣的型腔，單邊余量0.05～0.1mm，深度為零件厚度的一半。圖3所示為定位工裝定位結構，加工時將工件放入工裝內，能夠快速定位。由于工裝定位用的型腔與零件外形一致，所以保證了重復定位的準確性。

圖3 定位工裝定位結構

3.2 裝夾方式

壁厚較薄的工件在加工過程中，其剛性大小會影響加工精度。剛性不僅與工件自身結構相關，還與夾持工藝方式緊密相關。好的夾持工藝不僅能提升加工過程中的剛性，還能降低裝夾變形。

圖4 所示為壓板和螺栓壓緊方式，是在裝夾中使用最多的一種方式。在目前的加工模式下，雖然工件上提前準備了壓緊的平臺位置，但是由于操作原因，使得在出現壓塊的裝夾位置，每次壓塊的伸出長度、壓塊的數量都不相同，所以造成壓緊力的大小也不一樣，以致同一個工件出現不同的加工精度，且相差較大。為了防止壓塊壓緊位置不統一，可采定位工裝加壓板壓緊方式（見圖5）彌補，使用前述專用工裝，工裝上裝有壓塊，通過螺釘壓緊工件，與此同時，需要注重壓緊部位數量的分配。若工件壓緊部位設置得較少，則壓緊工件區域所需的壓緊力較大，會加大工件的變形，影響加工精度。在確保工件有充足壓緊力的前提下，應增多壓緊部位數量，以降低每一個壓緊部位上的壓緊力，確保在整個工件上有均勻的壓緊力。另外，壓緊部位最好選在剛性較強的部位。

圖4 壓板和螺栓壓緊方式

圖5 定位工裝加壓板壓緊方式

對于薄壁工件來說，應全面考慮效率和精度質量因素，充分研究工件的壓緊部位及數量，盡可能均布壓塊。但是由于壓板只壓緊工件四周，中間無壓緊，所以在切削加工時，切削力破壞了工件初始殘余應力的平衡，殘余應力重新分布，而壓板壓緊的位置會阻止應力的均勻分布，導致應力會向工件中間無壓板位置聚集，當加工完成壓板壓緊力撤銷后，工件會出現中間凸起的變形。因此，薄壁工件夾持一般使用特殊的夾具，以保證受力均勻，且夾持便利，裝夾平穩。例如使用磁力吸盤夾緊方式（見圖6），可使吸附力均布，降低壁厚較薄工件加工中的夾持變形。為了確保夾持的穩定性，應同時均布壓板進行輔助壓緊。

圖6 磁力吸盤夾緊方式

4 加工順序

加工過程中優化工件各個區域的加工順序，可明顯抑制變形量。確定加工順序的一般規律是在加工過程中，最大能力地維持工件的剛性處在最優狀態。首先加工剛性最低的區域，然后加工剛性相對高的區域，這樣在剛性低的區域加工后、應力重新分布時，剛性較高的區域變形量相對較小，能夠有效地控制工件總體變形。

5 刀具軌跡

加工過程中，不同的刀具軌跡形成的切削力，對工件在加工過程中的剛性影響程度是不一樣的，產生的變形也有差別。根據機床選用較優的刀具路徑，可以提升工件的加工精度。

首先，選用適當的走刀方法，盡可能使用沿輪廓的切向或斜向切進的方法緩慢地切進工件，確保刀具路徑平穩光滑。壁厚較薄的工件應先考慮采取螺旋或圓弧走刀方式，禁止豎直走刀。應使刀具緩慢進入工件，減少晃動，這樣就不會在工件外表面的進入處出現駐刀印痕，從而獲得較高的表面加工精度。

其次，在加工過程中選取適當的切削路徑，走刀方法通常有兩種：環切和行切。環切通常是從中心部位下刀，由中心向周圍環切至端面，加工過程中都是順銑，所承受的力的變化小，切削平緩，在實際加工中應用效果較好。行切是順銑和逆銑結合加工，力的方向不定，易出現振動，相鄰軌跡之間刀痕嚴重，表面加工精度不如環切好，通常不在精加工中使用。受機床本身精度的影響，采取環切方式加工時，切削軌跡反向時主軸降速明顯，加工中會有暫時的停留，且在切削軌跡反向的部位存留圓形的痕跡，影響加工質量，需打磨處理。

環切加工時，在軌跡的對角線以及在每次反向的部位產生駐刀痕，基本遍布整個工件。行切加工后，只會在筋的根部產生一圈駐刀痕，若行切后再添加一個清根的走刀軌跡，則工件只會在拐角處產生為數不多的駐刀痕。

改進刀具走刀反向以及環形走刀的過渡方式，可降低加工過程中切削力的變化量。一般程序默認直角過渡，當刀具以一個進給速度移動到此部位時，切削力會忽然變化，不僅影響刀具壽命，還降低了表面加工精度。因此，在壁厚較薄的零件加工中，所有走刀必須圓滑過渡，在拐角處增添一定的圓角，環形走刀增添圓弧過渡，以提高表面質量。

6 結束語

通過對加工工藝、加工順序和刀具軌跡3方面的分析，闡述了鋁合金結構件加工過程中變形的影響因素，以及較優的參數選取原則，對實際加工具有一定的指導意義。