铝合金薄壁深腔的数控加工

铝合金薄壁深腔的数控加工

周立庆 ,杨杰 ,陈方超

广东鸿图武汉压铸有限公司  湖北  430200

摘要：铝合金零件由于具有壁薄、重量轻、刚度低、结构复杂等特点,在加工制造过程中易发生变形,导致加工成本高、耗时长且难度大,使得零件加工精度难以达到设计要求。并且由于深腔类薄壁件的型腔较深，加工时刀具的悬伸比大、刀具刚性差，在切削力作用下，刀具及工件侧壁极易产生变形，造成工件壁厚不均、尺寸超差，甚至造成刀具、机床损坏以及零件报废，严重影响加工精度与加工效率。

关键词：铝合金；薄壁深腔；数控加工；

前言：目前，大多数企业在对此类零件进行实际加工时仍然采取传统试切的方式、基于经验选择工艺参数以及采用小切削量进行多步切削加工等，在加工完成后对于部分精度超差的零件采用钳工手工校正的方式减小误差。众所周知，这种方法存在很大弊端，将导致生产成本高、加工工时长，以及加工精度和加工质量不能得到稳定保证等问题。

一、影响零件加工精度的因素

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。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。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。铝合金产品零件的变形将会影响到零件的使用性能。在具体的加工过程中，影响零件变形的主要因素为切削力、切削热和夹紧力。切削过程中，产生的切削力大小直接影响到切削热和夹紧力，切削热引起铝合金材料的热变形;施加在零件上的夹紧力引起薄壁零件的冷变形；从而容易产生切削力下的振动变形。

二、铝合金薄壁深腔的数控加工

1. 如何提高精度和光洁度。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。

2.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。

3.这类薄壁件大量应用于航空发动机中，多数呈薄壳状，内外径之间的差值较小，径向尺寸大于轴向尺寸，端面面积较大。端面的平面度和端面与轴线的垂直度要求较高。框类薄壁件：多见于机箱及各类精密零件外壳，由腹板及垂直于腹板的侧壁组成，可分为开放式和封闭式两类。开放式框类薄壁件的侧壁之间不全部接触，封闭式框类薄壁件的侧壁两两相接围成一个封闭框体。其对腹板与侧壁的平面度、垂直度以及粗糙度要求较高。显然使用专用夹具加工更加便捷。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。

4.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。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。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。合金铣刀加工外轮廓不加工圆弧，半精加工外轮廓精加工余量。在同一个设备上用平口夹具，用轻微的夹力夹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。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：对矩形薄壁深腔零件加工，将加工过程分为粗加工和精加工，其中内腔粗加工路线采用从内向外逆铣加工，在粗加工毛坯厚度越厚，工件最后的变形越小。精加工用顺铣加工，圆角位置要采用圆弧过渡加工。

参考文献：

[1]李鹏.解决铝合金加工变形的方法[J].新技术新工艺，2019.

[2]王霆，周海飞.薄壁深腔铝合金零件的铣削加工参数研究[J].轻金属，2021（11）.

[3]马广.铝合金薄壁零件数控加工夹具问题探讨[J].制造技术与机床，2019（11）.