薄壁铝合金零件切削成型工艺研究

陈方超 ,周立庆 ,杨杰

摘要：铝合金具 有密度小、成本较低、内应力均匀、散热 性能良好、不易腐蚀等特点，因此铝合金零件被广泛应用于各行各业，尤其是电子行业及航空航天行业。铝合金零件的成型方式一般分为钣金成型、机加工成型和模压（铸造或锻造）成型，其中，机加工成型的工艺方法更易于实现结构形式复杂而精密的零件以及单件小批量试制类零件广泛应用。

关键词：薄壁铝合金；零件切削；成型工艺；

前言：近年来，因重量的限制以及密闭性、屏蔽性、功能性等综合要求，薄壁铝合金零件被广泛应用，且结构形式越来越复杂，精度要求越来越高，而且产品往往是单件试制型零件，不适于采用模压成型工艺，又因焊接工艺的局限，钣金成型及拼焊成型的工艺方法一般也无法满足产品要求，因此选用整体切削成型的工艺方法。目前，薄壁铝合金零件形式多样，该文针对非回转体类的薄壁铝合金零件（以下简称薄壁铝合金零件）的切削成型工艺进行研究，如何减少整体切削加工成型的薄壁零件变形或不发生变形，满足各项精度高的技术要求，成为了产品能否满足性能要求的关键工艺课题。

一、数控车床

数控车床作为当今使用最广泛的数控机床之一，主要用于加工轴类、盘套类等回转体零件，能够通过程序控制自动完成内外圆柱面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工，并进行切槽、钻、扩、铰孔等工作，而近年来研制出的数控车削中心和数控车铣中心，使得在一次装夹中可以完成更多得加工工序，提高了加工质量和生产效率，因此特别适宜复杂形状的回转体零件的加工。数控车床的组成数控车床由床身、主轴箱、刀架进给系统、冷却润滑系统及数控系统组成。数控车床的机械构成从机械结构上看，数控车床还没有脱离普通车床的结构形式，即由床身、主轴箱、刀架进给系统，液压、冷却、润滑系统等部分组成。

二、薄壁铝合金零件切削成型工艺

1.切削设备。常见的铣床消除缝隙的能力不足，在加工过程中，容易发生积屑，导致切削力增加，同时受到夹紧力影响，表面加工工艺无法达到标准，薄壁位置容易变形，与厚壁材料相比差异较大。加工过程中，发生翘曲变形的概率较高。若零件复杂，普通铣床加工难度提升，加工效率降低，产品的质量也会受到影响。薄壁铝合金零件一般采取数控加工方式，该加工方式的适用性较强，可实现多轴联动。工作人员在设计方案过程中，利用数字化工具组织编程，通过主轴转速及切削量、道具补偿参数的调整，能对复杂的零件进行加工。比如，利用数学模型对复杂曲线进行描绘，无需利用专用夹具等设备，该加工方式的精度较高，在一次夹装后，实现铣削及镗铣等多道工序。若零件需多道工序，数控加工中心能精准定位，通过合理的工序，完成薄壁铝合金零件的切削形成工作。

2.铝合金材料。金属材料的工艺性能对工艺顺利开展具有直接影响，工艺人员在数据编程过程中，需思考材料的性能及特点，据此选择适合的刀具，设定相应的参数，若刀具选择不合理及参数设置不合理，金属制品的加工质量会受到严重影响。铝合金材料具有较高的导热性，加工变形概率较高，薄壁铝合金零件加工切削量较大、形状复杂，容易导致零件加工精度降低，制品的质量无法满足设计要求。针对薄壁铝合金零件铣削成型工艺，在满足产品功能的情况下，还需要选择性能良好的 2 系铝合金，比如常见的 2A12 及H112 等。

3.成型工艺。产品成型是一种工艺，合理配置工序，有利于提升产品的加工精度。针对薄壁铝合金零件，成型工艺以数控加工中心铣削成型工艺为主，通过统筹钳工及热处理等方法，实现热处理及铣加工的协调作业，设计作为合理的工艺线路，保证产品质量满足技术标准。在加工过程中，数控加工中心的铣削加工是保证零件满足设计要求的关键。薄壁铝合金零件结构及铣加工工艺薄壁铝合金零件结构工艺性首先，零件结构特性。薄壁铝合金零件结构较为复杂，结构中含有以下要素，比如，薄壁厚度具有差异性、立面存在凸台或者凹槽，工艺多个表面具有不同结构的加工要素。其次，变形问题。对薄壁铝合金零件成型质量产生影响的是变形问题，也是零件在加工过程中关注的主要问题。内应力及切削力、夹装等因素容易导致产品变形。部分变形能通过合理的工艺控制，而部分变形无法完全消除。针对零件功能，需要将变形控制在标准范围，不会对零件功能造成影响。针对零件变形问题，可以对零件技术进行调整，比如，对尺寸精度及形位精度、表面粗糙度进行调整，为保证产品形态，适当添加辅助工艺，比如，在热处理过程中释放应力。对工序进行合理安排，统筹各个设计基准，使形位公差及表面光洁度等满足技术标准，通过以上方式避免变形对零件尺寸产生影响。

4.铣加工工艺。加工工序作为保障结构合理性的重要组成，在加工工艺开展过程中，应当对铣加工工艺进行划分，采取先面后孔及先粗后精的工艺原则安排工序，根据数控机床的加工特点及所用刀具划分工序步骤，同一把刀具加工之后换一下刀具作业，减少换刀次数及时间。对加工过程中重复定位问题进行分析，针对同轴度较高的孔隙，无法利用以上原则，可在定位结束后，通过顺序替换刀具，在加工同轴孔隙后，加工其他位置的孔隙，保证孔隙的同轴度。台、立面凹槽、端面环槽、底面凸台与环槽等，且工件多面均含有不同结构要素需加工。变形问题影响薄壁 铝 合金零件 铣削成型，最需 关注的是变形问题，内应力、切削热和装夹等情况，易引起工件变形。有些变形可通过合理的工艺设计避免，有些变形无法完全消除。基于零件功能，将不可避免的变形控制在非功能性区域内。变形问题的解决途径第一，分析零件的技术要求（尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等），确定工位及加工内容；为保证最终的技术状态，是否增加工艺辅助工序，如工序间的热处理工艺以释放应力等；第二，合理安排工序、细化工步；第三，统筹各设计基准、形位公差和表面光洁度等技术要求，合理选择刀具、加工基准及各加工参数；第四，考虑变形对重复定位的影响；第五，避免变形对关键尺寸的加工产生影响。铣加工工序工步的安排合理的加工顺序是保证结构设计精度的关键，在进行工艺设计前，应该对铣加工工步的划分和顺序做好安排。按照先面后孔、先 粗后精等基本工艺原则划分工序工步，安排顺序。根据数控机床工序高度集中的特点，采取按所用刀具来划分工序和工步的原则，即用同一把刀具加工完工件上所有需用该刀具加工的各个部位后，再换下一把刀具进行加工，以减少换刀次数和时间。考虑到加工中存在重复定位误差，对于同轴度要求很高的孔系，就不能采用上述原则，应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，顺序连续加工完该同轴孔系的全部孔后，再加工其他位置的孔，以提高孔系的同轴度。

结束语：薄壁铝合金具有重量轻、节约材料、结构密度高等特点，工艺品在各个领域应用，多数器械设备利用薄壁铝合金材料加工。但铝合金薄壁零件刚性差、强度低，在加工过程中发生变形的概率较高，难以保证产品的加工质量。对此，采取合理的工艺流程能保证产品的加工质量及整体性能，在航天、航空及电子通信产品领域中应用的零件精度要求较高，因此，在零件加工过程中，应当综合使用工艺方案，选择合适的材料及机床、热处理技术等，为保证薄壁铝合金零件切削成型质量奠定基础。

参考文献：

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