铝合金薄壁零件加工技术

铝合金薄壁零件加工技术
发布时间：2021-10-12T01:04:57.922Z 来源：《福光技术》2021年15期作者：尹晓华[导读] 还包括刀具参数、机床的刚度和精度以及切削液等，且各因素间存在相互影响机制。

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摘要：铝合金薄壁零件具有质量轻、承载性能好、结构紧凑、比强度高等一些优良特性，因而被广泛应用于航空、汽车等行业中。

铝合金薄壁零件加工主要面临以下几个问题（1）铝合金材料熔点较低，在加工中如果出现冷却不及时，容易在刀具上形成积屑瘤，改变刀具几何参数和锋利度，造成加工误差；（2）随着材料的去除，材料内部的残余应力逐步释放出来，加上在切削过程中的加工应力，有可能在加工完成后出现零件变形；（3）薄壁结构零件装夹容易产生变形，应尽量采用低应力的装夹方式。

对此，文章针对铝合金薄壁零件加工中容易变形的特点，仿真分析了两种真空吸具吸附方式下零件变形情况，并计算分析了加工过程中的稳定性，最终在确定的工艺参数下完成零件加工。

关键词：铝合金；薄壁零件；加工技术
1铝合金薄壁件加工变形机理及影响因素分析
在薄壁零件的切削过程中，导致加工变形产生的因素较多，主要有工件材料特性与结构、残余应力、切削力和切削热、加工路径和工艺参数、装夹条件等。

（1）工件材料特性与结构。

不同材料由于物理特性不同，对加工变形的影响也会不同。

而且，同样材料的不同工件结构产生的最终变形也不同。

铝合金与其他金属相比，弹性模量小，屈强比大，虽然易于切削，但是容易产生回弹变形，加大了薄壁件的变形程度。

（2）残余应力。

残余应力包括初始残余应力和加工残余应力两种。

材料在制备过程中会产生能量，这些能量残留在材料中形成初始残余应力。

对于铝合金预拉伸板材而言，初始残余应力是不同工艺共同作用的结果，能量密度越大，残余应力幅值越大，越容易产生变形。

加工残余应力是在机械加工过程中产生的存在于材料表层的残余应力。

薄壁件在材料去除的过程中引起初始残余应力的释放和重新分布，与加工残余应力一起致使加工变形。

其中，初始残余应力所起的作用占据主要地位，约占90%以上。

（3）切削力和切削热。

切削过程从本质上来说是能量的传递和转化过程。

在切削力的作用下，工件材料发生塑性变形的同时会产生应变能，应变能转化为热能产生热应力，切削力和切削热互相耦合作用引起薄壁件变形。

当切削力不再作用后，薄壁零件又出现回弹，即回弹变形。

（4）加工路径和工艺参数。

薄壁件在加工时，采用不同的加工路径材料去除的顺序不一样，进而影响初始残余应力的释放顺序，相应地，加工残余应力和初始残余应力之间的耦合作用也有差异，导致工件最终的变形结果也不同ｍ。

此外，工艺参数的不同产生的切削力和切削热也不一样，对变形结果的影响也不同。

另外，工艺参数对于薄壁件的加工效率、加工成本、机床性能的发挥也会产生影响。

（5）装夹条件。

装夹是为了保证工件的正确定位和稳定性，不能产生晃动，是数控加工中的重要环节。

然而，装夹力会影响残余应力的分布，从而引起工件的加工变形，特别对于弱刚性薄壁件的影响不容忽视。

可以通过优化夹具的布局、装夹顺序等来降低装夹力的影响。

对加工变形的影响除了前述因素外，还包括刀具参数、机床的刚度和精度以及切削液等，且各因素间存在相互影响机制。

2铝合金薄壁零件加工技术
2.1铝合金薄壁零件工艺分析
某铝合金薄壁零件结构如图1，外径尺寸为Φ180mm，壁厚最薄为0.9mm，径厚比达到200，属于典型的薄壁结构。

该零件主要采用车削加工而成，结合该零件特点，以控制变形为主要目标，制订了车削直径—粗车端面—线切割—精车端面—精车凹面的工艺路线。

2.2装夹有限元分析
在车削直径和粗车端面时，采用三爪卡盘装夹。

在线切割后，精车端面不适合采用三爪卡盘装夹的方式，若采用三爪卡盘，工件在受三点径向力后容易产生装夹变形和装夹痕迹，破坏工件表面，翻面后重新装夹找正难以保证端面平行度。

因此针对该工件，决定采用真空吸附的方式装夹工件。

在该零件加工案例中，通过真空吸附端面固定工件。

目前有两种吸附方式，一种采用多孔吸附，一种采用环槽吸附。

为了对比两种吸附方式对工件变形的影响，通过有限元仿真能够不必开展加工试验而直观反映工件的变形情况。

通过仿真结果可以看出，采用环槽吸附方式下工件的最大变形量为2.27×10－9m；采用多孔吸附方式下工件的最大变形量为2.32×10－9m。

两种真空吸附方式下对工件的变形影响都很小，因此在本文中不考虑真空吸附对工件变形的影响。

2.3刀具的选择
在加工中，高速切削会产生大量切削热，尽管切屑能带走大部分热量，但在刃前区仍能产生极高温度，由于铝合金熔点偏低，使得刃前区常常处于半熔化状态，使工件在切削点处的强度受高温影响大幅度下降，容易产生铝合金零件在加工过程中形成的凸凹缺陷。

因此，在精加工过程中，通常选用润滑性能好，粘度低，冷却性能好的煤油做切削液。

在润滑刀具的同时，及时带走切削热，降低刀具刃前区及零件加工面的温度，减小零件温度变形。

综合考虑到铝合金材料的加工特点以及加工中振动和切削力所引起的变形，粗加工刀具材料选用硬质合金刀具YG6。

由于粗加工对尺寸精度和表面粗糙度要求不高，但为了满足后序加工定位精度要求，工艺要求表面粗糙度达到3.2。

刀具角度参数：前角35°，后角10°，主偏角50°，副偏角10°，刃倾角8°，副后角6°，刀尖半径0.5°刀杆材料为45钢。

精加工是机械加工最后一道工序，尺寸已基本趋向最终尺寸，对薄壁圆筒来说，刀具的几何角度参数尤为重要。

增大刀具主偏角，使其径向切削力趋于0，控制了薄壁圆筒的变形;增大前角角度，使刀具更锋利;增大后角，减少摩擦，降低表面粗糙度;为减少径向力，避免产生振动，副偏角不宜选得太小。

高速钢外圆精车刀角度参数：前角30°，后角14°，主偏角93°，负偏角15°，刃倾角8°，副后角6°，刀尖半径0.2°。

切削用量车削粗加工时，转速n=560r/min，进给量f=0.25mm/r，t=0.5mm。

车削精加工时，转速n=200r/min，进给量f=0.10mm/r，t=0.1mm。

2.4切削力仿真计算
为了验证采用环槽真空吸附方式能否满足切削过程中的稳定性要求，需要对车削过程中的切削力进行仿真计算。

切削力仿真计算是切削加工研究的一种有效手段，通过建立的切削力模型可以方便的得到不同切削参数下对应的切削力。

2.5试验实例
在数控车床上进行实际加工试验，装夹方式选择环槽吸附和三爪卡盘两种方式，加工参数为：ap=0.1mm，f=0.1mm/r，v=70m/min。

按照车削直径—粗车A端面—线切割—粗车B端面—精车端面—精车凹面的工艺路线执行，两种方式下各加工5个工件。

对比发现，环槽吸附方式下的工件外圆直径均为Φ179.975或Φ179.98，而三爪卡盘夹持下有2个工件外圆直径低于Φ179．965，其余外圆直径也偏小。

测量2组工件端面平面度发现，环槽吸附方式下的平面度明显优于三爪卡盘方式。

因此，由于传统三爪卡盘夹持加工过程更容易产生震颤，且对于薄壁零件存在较为明显的变形情况，相比而言真空吸附方式车削过程更稳定，加工零件精度更高。

3结束语
本文针对铝合金薄壁零件，仿真分析了两种真空吸附方式下的工件变形情况，结果表明两种吸附方式对零件变形影响很小。

计算分析了加工系统的稳定性，在真空吸附下提供的摩擦力远远大于切削合力，能够保证零件在加工过程中的稳定性。

最后在确定的加工参数下完成了零件加工。

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