任志鵬

（南京高精軌道交通設(shè)備有限公司，南京 210000）

在當(dāng)前輕量化設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展中，鋁合金材料具有低密度、優(yōu)良的抗蝕性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空、汽車、高鐵、醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)。但是鋁合金材料有導(dǎo)熱性能好、膨脹系數(shù)大等特性，如何控制變形是非常重要的問(wèn)題。

1 鋁合金零件加工的變形現(xiàn)象

1.1 鋁合金零件的特征

由于鋁合金零件具備重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特征，因此廣泛運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。文中以薄壁鋁合金零件進(jìn)行分析，其中鋁合金零件由于剛性差、強(qiáng)度低等特征，在實(shí)際的加工當(dāng)中工藝性能非常差，尤其是切削加工當(dāng)中，很容易產(chǎn)生翹曲變形的情況。在傳統(tǒng)的銑削加工當(dāng)中，存在熱變形力、應(yīng)力變形情況，加工的時(shí)候鋁合金零件會(huì)發(fā)生彈性形變導(dǎo)致扭曲，這樣生產(chǎn)出來(lái)的零件無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品合格率低。但是在具體的加工過(guò)程當(dāng)中，如果選擇合理的刀具、夾具、切削液、銑削方式，合理控制熱量、應(yīng)力變形等，能夠取得更好的效果，也能夠保證成品合格率。

1.2 工程案例

文中以某導(dǎo)熱框架為例，屬于典型的薄壁零件銑削加工，該零件材料為L(zhǎng)F6-R，但是零件形狀并不復(fù)雜，為確保高導(dǎo)熱框架在工作的時(shí)候，能與發(fā)熱期間保持緊密接觸具備良好的散熱性能。因此該零件的兩側(cè)薄壁為0.75MM，內(nèi)框厚度為1.25MM?？蚣芨鱾€(gè)面之間有比較高的公差精度，該零件在銑削加工方面對(duì)定位、夾緊、冷卻、切削等等，在各個(gè)方面都具有很高的要求。在傳統(tǒng)的加工當(dāng)中，鋁合金零件是在立加設(shè)備上，使用鍵槽銑刀，冷卻液外冷進(jìn)行加工。但是在實(shí)際的加工當(dāng)中存在粗加工和精加工的方式，也有精密性程度不同的夾具，但是對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的零件，加工精度非常高，在刀具使用的時(shí)候，刀具切削過(guò)程很容易形成積削瘤，增加切削的難度，導(dǎo)致加工出來(lái)的槽壁無(wú)法達(dá)到精度要求，而且在薄壁位置存在扭曲變形的現(xiàn)象，夾緊力不僅僅影響平面厚度的尺寸精度，從而無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求。而扭曲變形的現(xiàn)象也更加突出，無(wú)法保證該平面的平面度，平面也無(wú)法達(dá)到具體要求，因此零件的報(bào)廢程度也非常高[1]。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)之后，將傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行改進(jìn)，也就是在加工過(guò)程中合理選擇夾具、刀具、切削液、銑削方式等等，從而控制應(yīng)力變形的情況，降低熱變形力，從而提高產(chǎn)品的合格率。

圖1 產(chǎn)品示意圖

2 產(chǎn)生變形的原因

鋁合金零件產(chǎn)生變形的原因比較多，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械加工過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的原因非常多，比如物理性能影響、零件結(jié)構(gòu)形狀、工件裝夾、切削過(guò)程參數(shù)等等這些因素，都會(huì)對(duì)鋁合金零件的性能產(chǎn)生影響，直接導(dǎo)致機(jī)械變形。從根本上來(lái)看，存在變形的原因有：

（1）力的作用導(dǎo)致變形，毛坯內(nèi)部應(yīng)力釋放觸發(fā)變形所導(dǎo)致，無(wú)論是毛坯的初始狀態(tài)如何，在內(nèi)部，工業(yè)零件使用的時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力積聚的情況，這種應(yīng)力聚集在毛坯工件當(dāng)中，在加工之前處于平衡狀態(tài)，但是在加工的時(shí)候，切削過(guò)程中內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性的破壞，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致工件的變形。而且在切削加工的過(guò)程中，刀具對(duì)被切金屬產(chǎn)生很大的擠壓壓力，導(dǎo)致工件材料產(chǎn)生了塑性，產(chǎn)生彈性變形的情況。對(duì)于大型零件的加工，應(yīng)該采用仿形加工，預(yù)計(jì)工件裝夾之后可能產(chǎn)生的變形量，加工的時(shí)候要在相反方向預(yù)留出可能存在的變形量，可以防止零件在裝配之后的變形量。

（2）裝夾影響、定位要等導(dǎo)致變形，在實(shí)際的施工當(dāng)中，工件裝夾和定位過(guò)程當(dāng)中，由于夾緊力大小控制不當(dāng)，導(dǎo)致夾緊力作用位置不夠科學(xué)合理，導(dǎo)致工件局部產(chǎn)生一定的彈性形變，在加工之后，撤去夾緊力，工件就會(huì)出現(xiàn)變形的情況。當(dāng)工件上存在幾個(gè)方向的夾緊力作用，應(yīng)該充分考慮先后順序，而且工件與支撐夾緊力應(yīng)該先作用，且不應(yīng)該太大，應(yīng)該平衡切削力。

（3）熱作用導(dǎo)致的變形，金屬在切削的過(guò)程中，存在塑性變形，從而與道具、切屑過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生劇烈的摩擦，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生很大的切削量。在加工的時(shí)候如果這些熱量沒(méi)有及時(shí)分散傳導(dǎo)出去，工件就會(huì)存在熱膨脹的現(xiàn)象，導(dǎo)致工件變形，最終影響到工件的加工精度。

（4）工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)都會(huì)影響到工件變形，實(shí)際上變形量的大小和形狀、復(fù)雜程度之間成正比，和材質(zhì)的剛性、穩(wěn)定性成正比，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要盡可能減少這些因素對(duì)加工件變形的影響[2]。

3 鋁合金零件加工變形原因分析及工藝控制對(duì)策探討

3.1 內(nèi)應(yīng)力的消除

在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，無(wú)論是鑄造還是鍛造的鋁合金毛坯材料，都存在內(nèi)應(yīng)力的可能。在加工之前，通常應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)內(nèi)應(yīng)力的處理。在實(shí)際的分析當(dāng)中，明確內(nèi)應(yīng)力在毛坯材料當(dāng)中處于一種平衡狀態(tài)，但是在機(jī)加工當(dāng)中的切除一部分材料之后，原本的內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)就被打破，在加工之后內(nèi)部應(yīng)力被打破且重新分布，產(chǎn)生形變的可能性。因此在切削加工之前應(yīng)該機(jī)械能消除退火、人工、自然時(shí)效處理、錘擊振動(dòng)等方式，消除毛坯當(dāng)中存在的內(nèi)部應(yīng)力，能減少后續(xù)切削加工當(dāng)中由于內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致的變形。另外，預(yù)加工的方式也是比較有效的處理應(yīng)力的方式。對(duì)加工余量比較大的毛坯部件，由于加工當(dāng)中切除量比較大，因此在加工之后變形的可能性也越來(lái)越大。對(duì)于這種現(xiàn)象，采用分步加工的方式，先取出毛坯大部分余量，之后放置一段時(shí)間之后，使用粗加工的方式，讓內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，然后再使用后續(xù)半精加工、精加工的方式來(lái)加工，逐步縮小加工余量可能存在應(yīng)力破壞，不斷提高精度，有效減少因?yàn)檫B續(xù)施工導(dǎo)致工件變形的可能性，避免了后續(xù)施工當(dāng)中存在的加工變形的可能性。

3.2 刀具的切削性能的改善

在加工的過(guò)程中，影響刀具切削性能的參數(shù)比較多，比如刀具材料與刀具參數(shù)等，都會(huì)影響到切削過(guò)程當(dāng)中的力度和溫度，合理選擇刀具能減少零件加工變形當(dāng)中存在的變形可能性[3]。

（1）參數(shù)選擇；首先合理選擇刀具的參數(shù)。①刀具前角，保持刀刃強(qiáng)度，在此前提下，鋁合金零件的加工通常會(huì)選擇一些比較大的前角，這樣就能夠切削磨削出鋒利的刀刃，能夠降低切削力避免出現(xiàn)切削變形的可能性，并且能夠快速排出磨削屑，保證順利排出，同時(shí)另外切削力也不斷減少，避免了切削過(guò)程當(dāng)中存在的擠壓塑性變形的可能性，降低了切削熱量的存在，降低了區(qū)域面積存在的問(wèn)題。而且尤其要注意鋁合金切削的時(shí)候，避免使負(fù)前角刀具。②刀具后角，后角大小能夠影響到后刀面的磨損，以及影響到加工表面的質(zhì)量。切削厚度的影響因素是后角。在粗銑的時(shí)候往往過(guò)于追求效率，因此采用大的進(jìn)給量來(lái)切削重，從而產(chǎn)生比較大的切削量，這對(duì)刀具的散熱性能提出了更多要求。因此在實(shí)際的加工當(dāng)中應(yīng)該選擇小一點(diǎn)的刀具后角，同時(shí)精銑的時(shí)候也要追求質(zhì)量，盡量選擇刀刃鋒利，盡量減少后刀面和加工表面之間的摩擦，因此盡量選擇比較大的刀具后角。③螺旋角，會(huì)影響到銑削過(guò)程當(dāng)中的平穩(wěn)性、銑削力，可以避免銑削過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)的情況，避免波動(dòng)和變形，因此盡量選擇銑刀螺旋角。④主偏角，一方面可以適當(dāng)減少主偏角，能夠延長(zhǎng)刀具刀口和加工面之間的接觸來(lái)改善散熱條件，可以降低平均溫度；另一方面主偏角大小也會(huì)直接影響到銑削過(guò)程當(dāng)中的徑向力大小，因此實(shí)際的加工當(dāng)中盡量降低徑向力，減小工件的變形。

（2）合理選擇刀具結(jié)構(gòu)：①使用梳齒銑刀來(lái)增加容納碎屑的空間，因?yàn)殇X合金的材料塑性比較好，切削過(guò)程當(dāng)中容易產(chǎn)生變形，而梳齒銑刀在特定直徑下容納空間比較大，可以緩解切屑堆積而引起的擠壓變形；②使用雙正前角銑刀，這種刀具在實(shí)際的加工當(dāng)中都不容易產(chǎn)生積屑瘤，切削力穩(wěn)定且變形小[4]。

（3）嚴(yán)格控制刀具的質(zhì)量。①提高刀齒的表面質(zhì)量，在使用之前使用細(xì)油石輕磨幾下，從而去除磨刀細(xì)齒切削表面的粗糙度，可以降低因?yàn)閮?nèi)部摩擦產(chǎn)生的切削熱，也可以減少切削變形的可能性；②嚴(yán)格控制刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)，刀具切削在一段時(shí)間之后必然會(huì)存在磨損，刀具表面質(zhì)量下降很容易增加粗糙程度，導(dǎo)致部件發(fā)熱、產(chǎn)生變形量。因此在實(shí)際的加工當(dāng)中應(yīng)該選擇耐磨性能好的刀具材料，從而防止變形。

3.3 工件裝夾方式的改善

在生產(chǎn)加工當(dāng)中，由于剛性比較差，因此需要針對(duì)不同部件的特征進(jìn)行控制。①針對(duì)薄壁型襯套零件，針對(duì)這種部件，加工的時(shí)候一定要夾緊，比如使用軸向端面壓緊的方式來(lái)避免變形；②針對(duì)薄壁板類型零件，可以選擇真空吸盤來(lái)加以控制。另外，也可以在精加工即將完畢之前，松一下壓緊部件來(lái)恢復(fù)彈性，之后在壓緊，保證精加工的壓緊力即可。

3.4 刀具加工路徑的優(yōu)化

在傳統(tǒng)銑削加工當(dāng)中，粗銑的時(shí)候?yàn)榱颂岣呒庸ば?，往往?huì)選擇大切、快給進(jìn)的加工方式，這種方式切削力度比較大，刀具很容易變形，同時(shí)對(duì)的夾緊力也非常大，導(dǎo)致工件變形。但是在現(xiàn)代化發(fā)展的過(guò)程中，CAD/CAM 技術(shù)的廣泛運(yùn)用，能夠很好規(guī)避傳統(tǒng)加工當(dāng)中的曲線，能夠生成合理的刀具路徑，保證加工效率，也可以科學(xué)控制變形[5]。

3.5 合理安排加工順序

在加工的過(guò)程中，應(yīng)該按照鋁合金的具體特征，做好變形控制，才能保證生產(chǎn)的合理性和科學(xué)性；①粗加工、精加工分離，能充分釋放粗加工引起的變形可能性。對(duì)于精度要求比較高度零件，粗加工完畢之后放置一段時(shí)間再進(jìn)行精加工；精加工能夠修正粗加工存在缺陷，也可以修復(fù)變形的可能性，從而保證零件的精度；②對(duì)稱加工，同時(shí)降低切削的溫度，當(dāng)加工余量比較大的情況下，單方面連續(xù)加工熱量集中、散熱比較難，因此選擇對(duì)稱雙面多次加工來(lái)改善散熱條件，避免應(yīng)力集中存在缺陷。③多型腔加工，對(duì)于同一方向有多個(gè)型腔的零件，加工的時(shí)候選擇逐層加工的方式完成，可以消除零件受力不均勻?qū)е碌淖冃巍?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)際加工需求，如何控制加工變形量，保證產(chǎn)品和加工質(zhì)量，成為當(dāng)前發(fā)展當(dāng)中需要深入思考的重要問(wèn)題。在實(shí)際的加工當(dāng)中，合理控制加工變形的工藝措施，重點(diǎn)控制力、溫度，也就是控制加工過(guò)程當(dāng)中在工件上的力，比如應(yīng)力、溫度等。