铝合金类汽车零件的加工工序设计及刀具选择

谢红

【摘 要】铝合金是工业制造中重要的原材料，特别是在汽车工业领域，铝合金制成的零件占了绝大多数。但由于材质的特殊性，如何对其进行加工才能达到理想效果，是制造过程中要重点考虑的。为了得到高质量的汽车铝合金类零件，本文对汽车铝合金类零件的技术特点进行了分析，确定了加工过程中工序设计、刀具、参数等的选择。

【关键词】铝合金；零件；加工；刀具；高速铣

铝合金作为工业生产中的主要原材料，它的主要成分中的合金元素镁与硅。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。特别是在汽车工业领域，铝合金制成的零件占了绝大多数。但铝合金加工中容易产生各种变形，因此，铝合金类的零件对加工工艺的要求较高。下面，就铝合金类的汽车零件的加工工序设计和刀具选择谈谈。

1.支架类零件特点

支架类零件一般具有连接其它功能零件、承受疲劳应力的作用，尺寸精度是支架类零件的一项重要质量特性，但因为其加工要素多，形状复杂，有很多的形位公差要求，因此支架类零件的加工在机械制造业中是个难点。

2.支架类零件的工艺性分析

支架类零件的很多加工要素一般需要在加工中心上完成，以某车型中的一个零件为例，材料为2A12T4，该零件形状复杂，加工、检验较困难。

零件加工难点分析：

1）该零件的尺寸公差较严，部分面的表面粗糙度求Ra1.6μm，其余均为Ra3.2μm，加工精度较容易保证，但零件周边厚度仅为1.1-0.4+0.4mm，且比较深，为32mm，面积较大，加工时极易因振刀影响壁厚公差以及粗糙度，应作为工艺上考虑的重点；零件在加工后各处厚薄尺寸相差悬殊，上端腔体四周刚性较差，故该零件在铣削中以及铣削后都会产生较大的变形。

2）该零件被加工轮廓表面的最大深度为H=（90-4.5-4.5-49）=32mm，该处的转接圆弧为R2mm，两者比值达到了0.0625，远小于0.2，不能满足铣削工艺性要求，因此在加工中应作为重点考虑的对象。

3.加工工序设计、刀具及参数选择

针对支架类零件的特点，对该零件安排加工工艺流程为：粗车→粗铣（去上表面腔体以及槽的余量）→时效→精车外圆→线切割（加工完成下端宽为49mm的槽）→精铣（上表面以及耳）→钳工（去毛刺）→车工（去夹头）→数控铣（钻底面孔）→钳工（攻丝及去毛刺）→检验→表面处理。

数控铣加工是此类零件加工的难点。如果将外表面展开来看，其加工的要素可分为平面、轮廓和腰形槽等，数控加工就变得比较简单，零件程序编制均可在Master cam上实现。

下面重点就数控精加工部分予以阐述，该零件的数控铣加工选择的机床为UCP800，零点选择在零件的上表面圆心，程序的编制分别在UGCAM和Master cam上分段编制，零件的加工顺序安排为：先加工上表面，此时下面4个腔刚性较好，加工中的振动影响较小，有利于保证零件上端面的尺寸要求，然后加工下部的两个腔以及分布在加强筋上的7个耳。

针对加工难点中的第一条，宜采用小直径铣刀加工以减小切削力，并合理安排粗、精加工，选择合适的装夹方法，来防止和控制零件变形。采用留夹头装夹、粗铣释放变形、安排时效等工艺方法来消除变形。时效后材料具有较高的强度，有助于消除残余应力。时效后材料不但有较高的拉伸屈服强度、压缩屈服强度和抗腐蚀强度，而且有较好的热稳定性能。

针对加工难点中的第二条，在加工上端的型腔时，由于其转接半径与深度之比为0.0625（远小于0.2），加工时难度很大，因此，磨制专用刀具加工R2mm。专用刀具为加长的准4mm刀，并把锥柄部分磨细，以防止振刀，采用小的切削量。但是在转速3000r/min，切深0.5mm，进给量500mm/min的加工条件下，由于此部分为薄壁深槽，零件腔体内表面有很明显的振刀纹，粗糙度达不到要求，经过多方查阅资料，决定在后面的零件加工中，采用高速铣技术。高速铣（High Speed Milling）是集多学科技术于一体的先进制造技术，由于它大大提高了切削效率和加工质量，故又称之为“高性能加工”（High Performance Machining）。通过对高速加工技术的研究，人们发现高速铣与常规铣削加工相比，高速铣的单位功率下的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的寿命提高了70%；滞留于工件的切削热量大幅度降低，切削引起的振动几乎消失。国外统计数据表明，进给速度和切削速度每提高15%～20%，可降低制造成本10%～15%。与传统数控加工相比，高速铣削具有的特点见表1。

表1 高速铣削与传统数控加工机床特性比较

高速铣可以缩短加工时间，提高产品质量，非常适合薄壁件的加工。根据经验数据，伴随着切削速度的提高，刀具寿命、表面质量、切削力以及金属材料切除量与切削速度的关系。

加工该零件的UCP800五轴加工中心最高转速为12000r/min，在加工该零件时，选择转速为10000r/min，每刀切深为0.5mm，进给量为4000mm/min，经过与一般转速加工完成的零件比较，提高了零件表面粗糙度，消除了振刀现象。由于切削速度的提升和加减速的限制，已完全改变了传统的编程策略，因此，在规划刀位轨迹时，除要考虑刀轨无干涉无碰撞因素外，还要考虑以下编程要求：1）应尽量避免刀轨的突然变化；2）应最大限度地减少甚至消除加工残区；3）应尽量避免多余空刀；4）应保持稳定的切削参数；5）应保证刀具缓慢切入工件。

垂直进刀，能实现进刀路径最短，其缺点是：刀具垂直切入工件，其轴向负载会突然变大，容易引起刀具偏斜，造成加工质量下降和刀具寿命缩短，应慎用。切向进刀，适合高速加工，常用于工件外进刀。斜向进刀能保证刀具渐进切入工件，切削力小，此进刀方式是高速加工的较好选择。但这些进刀方式毕竟刀轨不连续，还会引起主轴振动。用于高速加工，上述进刀方式都存在着问题。然而，在采用螺旋进刀后，这些问题即可得到解决。螺旋进刀刀轨如图1所示。

图1 螺旋进刀刀轨图

刀轨方程：

速度、加速度：

切入角：

式（1）～（5）中：ω为刀位点旋转角速度；R为刀位点回转半径；t为运动时间；P为螺距；a为向心加速度。

图1中：ap为每层切深；A为快速进刀终点到切入点之间的距离。螺旋进刀刀轨生成算法，步骤如下：1）设定R，考虑加工区域的形状和尺寸、a以及刀具直径这些因素，折中地选择R。2）设定P，根据加工材料与ap，合理地选定出P。3）计算β。4）计算总高H，为减少冗余刀轨，取A=1-2P；H=ap+A。5）生成螺旋进刀刀轨。6）显示并编辑，判断生成的进刀刀轨是否合理，否，跳回（1）；是，结束。

由式（1）～式（3）知，螺旋进刀刀轨不仅是光滑的，也是C1连续的（曲线间连接的光滑度的度量有两种：一种是函数的可微性，把组合参数曲线构造成在连接处具有直到n阶连续导矢，即n阶连续可微，这类光滑度称之为Cn或n阶参数连续性。另一种称为几何连续性，组合曲线在连接处满足不同于Cn的某一组约束条件，称为具有n阶几何连续性，简记为Gn），与垂直进刀、切向进刀相比，螺旋进刀避免了刀具与工件的刚性碰撞和干涉；与斜向进刀相比，它不仅解决了刀轨的光顺性，而且实现了切入角β可寻优。

在自动编程过程中，若能按照这些要求去规划刀轨，不仅可适应高速走刀，缩短切削时间；而且能减小主轴振动和偏斜。这对提高加工平稳性，提高加工生产率，改善加工质量，延长刀具寿命将大有益处。

零件加工效果：此种零件经过我车间精心加工，确保了设计图纸要求。但如果今后定型批量生产，此种零件结构与设计要求的工艺性不高，生产周期与成本较高，不适合大批量的生产加工。

4.结束语

总之，在铝合金类的汽车零件加工过程中，加工工序的设计、刀具的选择以及参数的选取都是至关重要的，只有把这些因素都综合考虑，才能提高加工质量和加工效率。

参考文献：

[1] 赵杰.某铝合金类零件的加工工艺分析[J].机电工程技术，2010年06期

[2] 马建民；金新安.模具加工中的高速切削[J].模具制造，2006年07期