铝合金薄壁深腔的数控加工

陈进斌

摘要：铝合金零件是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其特性是重量轻、比重小、强度较高、导电导热性好、抗腐蚀好。在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。但铝合金材料的薄壁零件在加工中存在容易变形的问题，现根据具体薄壁铝合金零件的性能及结构特点，制定出合理的工艺方案，进行数控编程，从而完成铝合金薄壁零件加工。

Abstract： Aluminum alloy parts are the most widely used non-ferrous metal structural materials in industry. They are characterized by light weight， small specific gravity， high strength， good thermal conductivity and good corrosion resistance， and are widely used in aviation， aerospace， automotive， machinery manufacturing， shipbuilding and chemical industry. However， thin-walled aluminum alloy parts are easy to deform in the processing. In this paper， according to the specific characteristics and structural characteristics of thin-walled aluminum alloy parts， a reasonable process program is developed， and NC programming is carried out， to complete the aluminum thin-walled parts processing.

关键词：铝合金；薄壁壳体；变形；数控加工

Key words： aluminum alloy；thin-walled shell；deformation；CNC machining

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0113-02

0 引言

薄壁零件主要是指零件的壁厚小于2mm的零件。薄壁零件在现今已日益广泛地应用在生活中的方方面面，但因为薄壁零件刚性差，在加工制造过程中极容易变形，不易保证形位误差，保证加工质量。因此做了多方面的试验，对工件的装夹、刀具的几何参数、程序的加工编制进行分析，给出解决问题的具体方法，有效的克服了薄壁深腔零件在加工中出现的变形，保证了薄壁深腔零件的形位精度，为今后此类零件加工做了依据及借鉴。

1 影响零件加工精度的因素

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。

①易受振动变形，切削时产生的切削力对薄壁零件的振动引起变形，影响尺寸精度和表面粗糙度。②易受热力变形，由于加工产生的切削热量，会使薄壁零件尺寸难以控制。③易受夹紧力变形，薄壁零件的形状一般在夹紧力的作用下容易在零件的壁薄处变形。

2 如何提高精度和光洁度

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。所以，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。

2.4 最后铣削过程中采用适当的切削液可以降低铣削力，切削液对改善加工表面质量和提高效率都有非常重要的作用。在铣刀切削过程中产生大量的切削热。容易对铝合金零件产生热变形，切削液有效的减小切削热量，有效的提高加工表面的粗糙度，和加工精度。所用的切削液的润滑性能越高，切削力的降低约为显著。

合理的安排加工工艺参数主要是：切削速度、进给量、切削深度、刀具的几何参数、夹具中定位方式、夹紧力的確定等。

3 加工工艺分析

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。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。

4 薄壁矩形深腔体零件的铣削加工

如图1是闽江高等师范专科学校数控加工中心对外加工的一种铝合金材料薄壁矩形零件，加工完矩形深腔零件最薄处只有1.5mm。毛坯为矩形148×106×50的矩形铝料。预先加工六面保证留余单边2mm，此零件为薄壁腔体类零件在切削加工中容易发生变形。因此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。

①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。四周每个加工面都留2mm精加工余量，加工毛坯到144×102尺寸。

②加工背面，用直径50的端面铣刀铣平面，用直径16的合金铣刀加工外轮廓不加工圆弧，半精加工132×82外轮廓，留2mm精加工余量。如图2。

③在同一个设备上用平口夹具，用轻微的夹力夹住84较长侧面。用直径50的端面铣刀铣平面，用直径12的铝用合金刀具粗加工内腔，单边留加工量0.7mm。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。最后打孔要先用中心钻，然后用直径2.5的钻头打穿孔。为了保证孔的精度用合金铣刀直径3的铣刀钻孔打穿。

④在同一个设备上先用压板固定短轴用力要均匀，用直径12的立铣合金刀具精加工长轴方向和圆弧角，如图3：绿色的是压板装夹位置先加工長轴侧面和圆弧角，然后用压板固定长轴加工短轴侧面和圆弧角。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。

5 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，2009.

[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，2016（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，2014（11）.