铝合金薄壁零件的加工工艺及变形控制分析

杨建贺 李纯章 陈小明 惠晓文 丁 震

（江南工业集团有限公司，湘潭 411207）

随着加工技术水平的不断增强，相关产品中的薄壁零部件越来越多。铝合金因为比重指数小，比强度指数大，而被用在薄壁零部件中。薄壁结构所致的关键问题是刚性不佳，对应装夹过程很容易出现变形情况，从而降低了零件的加工精度。铝合金薄壁零件加工受到一些因素影响，如铝合金材料自身的熔点低，若不能及时加工此种材料，会造成刀具几何指数的变动，从而生成加工误差。在材料去除过程中，材料残余应力被逐渐释放，但在切削阶段会存有一定的加工应力，导致加工结束后产生零件变形。因此，相关人员要高度关注铝合金薄壁零件的加工流程，采取科学的手段控制零件变形，才能提高铝合金薄壁零件加工的整体效益。

1 铝合金薄壁零件一般情况

结合铝合金薄壁零件作用在产品部件的具体现象可知，薄壁零件的主要作用为支撑或定位，其加工余量相对较大，对应装夹过程优化十分必要。相关工作人员要重点考虑如何以零件不变形为基础强化生产水平，使批次投产作业更为顺畅地进行。薄壁零件一般选取2A12 7A04的材料，即典型铝合金。其组成成分合理，综合性能比较显著[1]，其中最为显著的特征是强度较高、可线性膨胀系数指标高。由于零件薄壁受切削力和切削热的条件制约会出现变形，科学装夹与科学转速调节都会直接影响铝合金薄壁零件的加工效果。

2 铝合金薄壁零件的加工工艺要点

第一，切削速度在很大程度上会造成零件塑形变形，从而导致表面粗糙度较大。采取低速度的切削模式时，对应塑性变形小，会使表面粗糙度有所降低。采取高速度的切削模式时，对应塑性变形更小，产品的表面粗糙度较好。第二，由于不相同的几何形状均会改变切削力，塑性变形实际深度以及变形程度受刀具几何形状条件制约[2]。第三，进给量以及背吃刀量出现变化时会引起切削力变化，对塑性变形的具体程度和变形深度影响程度更显著。第四，工艺指数选择以及具体加工模式存在差异，对薄壁零件切削力造成的影响更大，尤其是轴向切深的指数影响，而且环形模式切削以及斜插模式切削也是制约切削力的一种因素[3]。第五，机械加工操作在夹紧力因素与重力因素和惯性力因素作用下，会出现工艺结构体系的变形，并且切削力受力点具体部位变动与毛坯加工余量变动会使工件的尺寸出现误差。依托科学的切削量结果与刀具几何指数控制切削力变动所致的变形情况时，要确保加工余量的规范化配置多次进行加工作业，从而最大化控制机械加工变形现象。

3 铝合金薄壁零件的加工工艺具体操作

3.1 关注管理零件铣削变形

针对铝合金薄壁零件铣削，其铣削变形呈现多个层面，如装夹工件涉及的夹紧力、切削工件涉及的切削力、工件刀具切削所致的塑性模式和弹性模式变形以及切削温度增加所致的热变形结果等。在此阶段，切削用量是影响切削力最大的因素，并且进给量指标与切削速度指标以及背吃刀量指标密切相关。若控制背吃刀量的多少使切削力降低，就会使工件表面的粗糙度增加，甚至很可能造成薄壁零件内应力指数加大，从而影响加工进度[4]。然而，若在吃刀量不改变的状态下增加进给量，即使严格要求刀具性能，切削力指标也可能增加，从而在一定程度上影响批量零件加工的有效性，甚至出现零件变形结果。因此，粗加工操作可适当增加背吃刀量与进给量，且精加工操作要将背吃刀量调整到0.3～0.5 mm，对应进给量大约为400 μm，并将主轴转速制定在3 500 r·min-1之内，以提高切削精铣的速度，以科学的配置控制切削力生成降低铝合金薄壁零件变形的概率。

3.2 关注薄壁铣削的温度调整

对铝合金进行铣削时，切削温度不能过高，否则会造成崩碎切屑的情况，从而使切削力存在于刀刃部位。在这种情况下，需要保证刀具较高的抗弯强度以及韧性，如可以选择对应抗弯指数与韧性指数均处于合理范围内的钨钢刀[5]。明确刀具材料后，还需要确定刀具的几何形状并调整其尺寸。粗加工过程中，可增加前角数值，使刃口更加锋利和切屑能够轻松流出，以减少变形以及具体的摩擦力指数，降低切削时的切削力。精加工过程中，切削厚度显著降低，切削力随之减弱，加工时可选用较大后角。

3.3 关注加工方法的科学运用

铝合金薄壁零件粗加工，要以强化生产质量为基础。相关人员排除多余材料后，薄壁部位和其他类型零件可以一起粗加工。毛坯加工过程中，可提升各面的垂直度，便于后续工序正确装夹。装夹零件的过程中，一次性可进行诸多零件的装夹[6]。加工时薄壁的重要部分应增加余量，避免粗加工速度和背吃刀量较大而产生变形。精加工阶段可以考虑共同精加工两个零件的可行性。除此之外，垫铁操作也是一种保障加工精度的有效形式，可通过将底部薄壁视作支撑条件来增加薄壁夹紧力指数，还可以通过分层化的铣削挖槽走刀过程，均匀化释放应力。精加工需要满足尺寸精度条件需求与表面精度条件需求，在多次实验之后获取层次切削深度为0.5 mm，进给量为400 μm，增强效率的同时提升零件加工质量。

4 铝合金薄壁零件的加工工艺与变形控制创新思考

以某个薄壁桶形零件为例，其外径为180.0 mm、长度为850.0 mm、最大壁厚为5.0 mm、最小壁厚为2.5 mm，存在着孔深与内孔台阶多的特点。该零件的尺寸精度以及表面粗糙度都具有严格条件要求，因此内孔加工相对困难，且长度尺寸控制水平不强。此外，因为零件各向强度存在不同，所以其内部应力指数大，容易造成零件变形，在零件质量强化时要采取科学的方案。

4.1 选取规范化的夹具实际结构

第一，挑选夹具设计方案，提升零件的抗变形水平，通过分析夹持零件外表面的参数设置，在夹持部位内部配装刚度较强的支撑盘，并在其外部配置弹性开口环，保证零件局部不会出现压伤，避免装夹变形。若需要进行零件内孔加工，其外配强度应安设加固圈，并在内部安装弹性开口环，也可减少装夹变形。第二，支撑盘与加固圈之间的间隙应足够小，通常控制在小于0.02 mm。在零件受到夹紧力的影响时，若弹性变形小于装配间隙，加工完成后夹紧力对零件变形的恢复作用会逐步淡化，且零件形状会呈现一定误差，变形量会在某个范围内变动。在获取支撑盘和加固圈等间隙需求条件时，相关人员可适当增加零件部位的尺寸精度（优先选取7级）。这样配置支撑盘以及加固圈尺寸，使装配间隔的指数控制在对应的范围。第三，夹具设计过程中，可增加工件装夹受力的平均面积，促使夹紧力以均匀的状态存在于工件，尤其是铣镗类夹具，其对应底座以及压板和工件的接触面中圆弧面较多，可通过小直径压紧螺钉控制夹紧力，以降低工件变形的概率。第四，零件加工阶段会出现切削热引起尺寸增加的情况，因此夹具设计应确保零件受热后可自由伸缩。在轴向薄壁夹具运用阶段，可以把径向模式转变轴向模式，并调整夹紧力作用支撑点，然后在夹具活动定位盘与工件间配置橡胶垫圈，以确保切削力足够稳定。若工件与心轴不存在相对位移的效果，可选取夹具定位盘受热伸长的操作方案完善零件加工变形的调整过程。

4.2 挑选冷却润滑液

若要降低加工工件的温度，应全方位冷却加工工件，可采用润滑液煤油或加入对应机油，以达到降低温度的目标。对外圆精加工过程，要明确心轴装夹的必要性。加工前应及时把冷却液注射在零件内腔内，并扩展零件的散热面积，使工件综合温度能够稳定调节。

4.3 对零件表面进行保护

因为铝合金的强度和硬度较低，很容易产生零件表面划伤的现象，所以运用中心架支撑时，支撑和工件间的松紧程度应足够合理，且夹紧时要均匀控制3个爪的受力程度。另外，还可增加牛皮带保护措施，以取得优质的夹紧效果。由于桶形零件的长度较大，加工过程中要管理刀杆悬臂部分自重[7]。对工件内孔进行加工制作时，刀杆伸进内孔的长度为700 mm，若选取普通形式的刀杆进行加工，会使刀杆悬臂部分生成较大的力矩指数。为了减少加工时的相关问题，应及时设置配重刀杆：第一，装刀的一侧以圆锥形为主，减少刀杆悬臂自重，且不会对刀杆强度产生影响；第二，在加长刀杆后侧设置一段悬臂，以抵消前侧刀杆质量以及切削力的力矩，使铝合金薄壁零件加工精度达到相关标准的要求。

5 结语

综上所述，在铝合金薄壁零件的加工与变形控制中，相关人员要尽量区分粗加工模式与精加工模式。在加工过程中，可通过多次调头的操作实施多次装夹，以实现间隙加工的标准，从而适当减少零件的加工温度，避免出现变形的情况。工作人员可适当调整工件加工的尺寸和表面粗糙程度，从而优化零件的加工流程，使铝合金薄壁零件加工工作更加高效。