薄壁铝合金零件数控加工方法研究

薄壁铝合金零件数控加工方法研究

张忠海 江 鑫

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：薄壁零件主要是指零件的壁厚小于2mm 的零件。薄壁零件在现今已日益广泛地应用在生活中的方方面面，但因为薄壁零件刚性差，在加工制造过程中极容易变形，不易保证形位误差，保证加工质量。因此做了多方面的试验，对工件的装夹、刀具的几何参数、程序的加工编制进行分析，给出解决问题的具体方法，有效的克服了薄壁深腔零件在加工中出现的变形，保证了薄壁深腔零件的形位精度，为今后此类零件加工做了依据及借鉴。

关键词：薄壁铝合金零件；数控加工方法；

前言：薄壁铝合金的热处理参数均有完整的手册、技术数据等资料可以参考，而且参数准确完整，但是就热处理操作过程而言，可参考的文献非常少，尤其是各单位的产品特点、设备及加工特性、工艺设计习惯等都各不相同，这些方面的影响使得在具体零件热处理的操作中有一定区别，甚至某些方面相差甚远，它受经验因素影响较大，而这部分经验有别于理论研究，没有成熟的资料可以借鉴，往往是在生产实际和某种特定产品反复生产实践中总结归纳获得的。

一、零件产生变形的主要原因

1） 切削力导致零件变形。在数控车削加工过程中，通常采用刀具对零件进行切削， 如果刀尖圆角过大或刀尖磨损严重，以及刀具切削参数不合理等， 则在切削过程中会产生过大的切削力， 使零件受到局部挤压， 从而导致零件变形。

2） 切削热导致零件变形。在数控车削加工过程中，由于刀尖与零件表面切削层进行挤压摩擦，零件切削层由弹性变形到塑性变形直至断裂，必然会产生较大的切削热，切削热会使零件表面温度快速升高。由于零件的热胀冷缩会导致零件局部变形且在切削结束后无法恢复，因此切削热会导致零件变形。

3）残余应力导致零件变形。在数控车削加工过程中，由于零件受到刀具切削力和切削热等因素的影响，零件内部的应力平衡被破坏。在加工完成后， 零件在恢复应力平衡的过程中，会释放部分残余应力，导致零件翘曲、侧弯、扭曲等变形。在薄壁铝合金零件加工过程中，容易出现切削加工变形。由于薄壁铝合金零件本身的刚度较差，在每一次切削加工中， 都会出现由残余应力释放而导致的零件变形， 最终影响尺寸精度与形位公差。

4）夹紧力导致零件变形。在数控车削加工过程中，如果零件的装夹方式不合理或夹紧力过大，则会使加工部位在释放夹紧力后随零件夹紧部位变形而变形， 导致零件变形。在定位装夹时，由于受到径向的夹紧力，也会出现变形，当完成加工之后，零件恢复其弹性变形， 导致出现椭圆变形，造成零件报废。

二、薄壁铝合金零件数控加工方法

1. 薄壁零件夹紧力变形，是零件与夹具在接触区域作用力下所发生的变形。首先要考虑的是夹紧点的选择，尽量选择靠近加工表面的位置做为夹紧点，其次考虑的是选择不易引起大变形的位置进行装夹。并采用增加辅助支撑或辅助夹紧点，增加压紧接触面积，找零件对称面等方法来进行夹紧装夹。铝合金薄壁零件在切削过程中产生的切削力比较小，可以采用比较大的切削速度，但是容易粘刀，形成积屑瘤。铝材料导热高，切削时由于切屑和零件传导出去的热量较多，刀具耐用度较高，但零件温度较高，容易引起变形。因此，选用合适的刀具材料，在刀具材料的基础上选择合适的刀具角度，并提高刀具的表面粗糙度要求，对降低切削力和切削热十分有效。 切削过程中，薄壁零件和刀具之间常会发生相对振动。不仅使加工表面产生波纹，严重影响加工精度和表面质量。那么如何解决切削过程中产生的振动问题，薄壁零件加工产生变形振动的原因大多是由于切削力、夹紧力、定位误差和弹性变形。其中影响最大的是切削力和夹紧力。所以，合理的选择切削用量、合理的选择刀具切削速度、进给量、切削深度、刀具的几何参数和夹具中的定位方式、夹紧力。能有效的消除振动所加工表面产生的波纹和加工精度、表面质量。

2.专用夹具设计和分析。零件最终成品的最薄处为2 mm，壁薄、材料较软易变形等问题给工件装夹带来困难。在工件正面半精加工、精加工阶段(第二次正面向上装夹)，若采用压板和螺栓固定工件，需要分两次装夹，首先在工装板上用压板压住支撑体，加工完工件内部后卸掉压板，再使用螺栓在工件内部通孔处固定多次装夹会降低加工效率和定位精度。需要对装夹方式重新设计，在进行装夹时。分析该薄壁环形零件的结构。侧面为一直边和一圆弧边，定位困难，精加工后的反面有通孔和小平面，并且要保证夹紧后工件尽量不变形．就需要在工件不易变形的方向上装夹。第二次正面向上装夹前反面已经精加工完成，且有通孔可作为定位孔，因此采用一面两销定位，两销钉顶部高度低于精加工完成后通孔高度，半成品工件反面的凸起部分卡在夹具体的凹槽内，凹槽底部和垫块顶部与半成品工件有间隙，在间隙处涂抹黑胶来固定半成品工件，加工时可直接用平口钳夹持夹具体，避免了与工件直接接触。显然使用专用夹具加工更加便捷。

3.加工工艺分析。对于刀路的选择应尽量简单。单轴插补加工不会出现轮廓误差，可以选0 度或者是90 度进行切削，平行刀路的进给方向要选择较长边切入。要使零件的加工精度能够提高，就要尽可能使零件的直线轮廓平行或垂直于坐标轴来进行加工。合理的处理拐角的加工拐角加工分为直角过渡和圆弧过渡两种，在必须采用直角过渡加工的，应在轮廓过渡处要降低进给速度，这在现代数控加工中可以用CAM 软件来很好的处理这类问题。另一种圆弧过渡加工，这种加工方法比直角过渡加工法要更好，因为这种走刀在加工中不会因突然改变方向而损坏刀具，拐角轮廓误差也得以有效控制。薄壁深腔零件加工，刀路的材料去除要均匀，进给速度、和主轴转速要均匀减小冲击产生。特别是留精加工余量时更应该注意，粗加工留精加工余量要大些，薄壁精加工切削量要小一些，分多次加工,避免产生振动。

4.薄壁矩形深腔体零件的铣削加工。必须安排恰当的加工工艺，才能在尽可能小的变形情况下，加工合格。加工中，我们从工件的装夹开始考虑、选用合适的刀具、编制合理的程序等多方面综合考虑，最终保证了产品的质量。工艺流程设计：分析零件图先加工背面，背面有四个角是圆弧角，如果先加工圆弧角加工正面内腔的时候侧壁会因侧壁两侧夹紧而变形影响加工精度，所以留到后续加工圆弧角。背面加工先半精加工，单边加工量留2mm，然后加工正面。①毛坯装夹在平口卡钳上，用直径50 的端面铣刀粗加工六面，保证一定的平行度和光洁度。四周每个加工面都留2mm 精加工余量，加工毛坯到144×102 尺寸。②加工背面，用直径50 的端面铣刀铣平面，用直径16 的合金铣刀加工外轮廓不加工圆弧，半精加工132×82外轮廓，留2mm 精加工余量。③在同一个设备上用平口夹具，用轻微的夹力夹住84 较长侧面。用直径50 的端面铣刀铣平面，用直径12 的铝用合金刀具粗加工内腔，单边留加工量0.7mm。下刀方式螺旋下刀逆铣，在加工内腔零件角要圆弧角过渡。刀路要均匀，进给速度、和主轴转速要均匀减小冲击产生。半精加工用直径8 的立铣铝用合金刀具加工内腔侧壁留加工精加工余量0.25mm，精加工用直径6 的立铣铝用合金刀具精加工内腔侧壁精加工，侧壁采用顺铣加工刀路。④在同一个设备上先用压板固定短轴用力要均匀，用立铣合金刀具精加工长轴方向和圆弧角，特别注意的是反面加工更换压板的时候，先固定长轴然后才卸下短轴压板，以便减少二次装夹所产生的误差影响加工尺寸。

结束语：综上所述，通过对刀具的选择、加工参数的确定、工装的设计以及切削液的使用，能够使工件装夹定位方便、夹紧可靠、操作方便且加工过程平稳， 能更好地保证加工质量。

参考文献：

[1]姚荣庆．薄壁零件的加工方法[J]．机床与液压，2020，35(8)：250-253．

[2]刘剑龙，陆荣，徐兴硕，等．航天薄壁框架类零件数控加工的变形抑制方法[J]．机械制造与自动化，2019(6)：59—61．