铝合金零件加工变形原因分析及工艺控制对策探讨

时间：2024-10-27

任志鹏

（南京高精轨道交通设备有限公司，南京 210000）

在当前轻量化设计与制造的发展中，铝合金材料具有低密度、优良的抗蚀性、导热性、导电性等优点，被广泛应用在航空、汽车、高铁、医疗等领域内。但是铝合金材料有导热性能好、膨胀系数大等特性，如何控制变形是非常重要的问题。

1 铝合金零件加工的变形现象

1.1 铝合金零件的特征

由于铝合金零件具备重量轻、结构紧凑等特征，因此广泛运用在各个领域内。文中以薄壁铝合金零件进行分析，其中铝合金零件由于刚性差、强度低等特征，在实际的加工当中工艺性能非常差，尤其是切削加工当中，很容易产生翘曲变形的情况。在传统的铣削加工当中，存在热变形力、应力变形情况，加工的时候铝合金零件会发生弹性形变导致扭曲，这样生产出来的零件无法达到设计要求，产品合格率低。但是在具体的加工过程当中，如果选择合理的刀具、夹具、切削液、铣削方式，合理控制热量、应力变形等，能够取得更好的效果，也能够保证成品合格率。

1.2 工程案例

文中以某导热框架为例，属于典型的薄壁零件铣削加工，该零件材料为LF6-R，但是零件形状并不复杂，为确保高导热框架在工作的时候，能与发热期间保持紧密接触具备良好的散热性能。因此该零件的两侧薄壁为0.75MM，内框厚度为1.25MM。框架各个面之间有比较高的公差精度，该零件在铣削加工方面对定位、夹紧、冷却、切削等等，在各个方面都具有很高的要求。在传统的加工当中，铝合金零件是在立加设备上，使用键槽铣刀，冷却液外冷进行加工。但是在实际的加工当中存在粗加工和精加工的方式，也有精密性程度不同的夹具，但是对于本次实验的零件，加工精度非常高，在刀具使用的时候，刀具切削过程很容易形成积削瘤，增加切削的难度，导致加工出来的槽壁无法达到精度要求，而且在薄壁位置存在扭曲变形的现象，夹紧力不仅仅影响平面厚度的尺寸精度，从而无法达到技术要求。而扭曲变形的现象也更加突出，无法保证该平面的平面度，平面也无法达到具体要求，因此零件的报废程度也非常高[1]。通过对其进行改进之后，将传统的加工方式进行改进，也就是在加工过程中合理选择夹具、刀具、切削液、铣削方式等等，从而控制应力变形的情况，降低热变形力，从而提高产品的合格率。

图1 产品示意图

2 产生变形的原因

铝合金零件产生变形的原因比较多，经过对实验分析，发现机械加工过程当中产生的原因非常多，比如物理性能影响、零件结构形状、工件装夹、切削过程参数等等这些因素，都会对铝合金零件的性能产生影响，直接导致机械变形。从根本上来看，存在变形的原因有：

（1）力的作用导致变形，毛坯内部应力释放触发变形所导致，无论是毛坯的初始状态如何，在内部，工业零件使用的时候都会出现内部应力积聚的情况，这种应力聚集在毛坯工件当中，在加工之前处于平衡状态，但是在加工的时候，切削过程中内部会出现连续性的破坏，导致内部应力重新分布，导致工件的变形。而且在切削加工的过程中，刀具对被切金属产生很大的挤压压力，导致工件材料产生了塑性，产生弹性变形的情况。对于大型零件的加工，应该采用仿形加工，预计工件装夹之后可能产生的变形量，加工的时候要在相反方向预留出可能存在的变形量，可以防止零件在装配之后的变形量。

（2）装夹影响、定位要等导致变形，在实际的施工当中，工件装夹和定位过程当中，由于夹紧力大小控制不当，导致夹紧力作用位置不够科学合理，导致工件局部产生一定的弹性形变，在加工之后，撤去夹紧力，工件就会出现变形的情况。当工件上存在几个方向的夹紧力作用，应该充分考虑先后顺序，而且工件与支撑夹紧力应该先作用，且不应该太大，应该平衡切削力。

（3）热作用导致的变形，金属在切削的过程中，存在塑性变形，从而与道具、切屑过程当中产生剧烈的摩擦，在这个过程当中势必会产生很大的切削量。在加工的时候如果这些热量没有及时分散传导出去，工件就会存在热膨胀的现象，导致工件变形，最终影响到工件的加工精度。

（4）工件的材质、结构都会影响到工件变形，实际上变形量的大小和形状、复杂程度之间成正比，和材质的刚性、稳定性成正比，因此在设计的时候需要尽可能减少这些因素对加工件变形的影响[2]。

3 铝合金零件加工变形原因分析及工艺控制对策探讨

3.1 内应力的消除

在实际的生产当中，无论是铸造还是锻造的铝合金毛坯材料，都存在内应力的可能。在加工之前，通常应该加强对内应力的处理。在实际的分析当中，明确内应力在毛坯材料当中处于一种平衡状态，但是在机加工当中的切除一部分材料之后，原本的内应力平衡状态就被打破，在加工之后内部应力被打破且重新分布，产生形变的可能性。因此在切削加工之前应该机械能消除退火、人工、自然时效处理、锤击振动等方式，消除毛坯当中存在的内部应力，能减少后续切削加工当中由于内应力而导致的变形。另外，预加工的方式也是比较有效的处理应力的方式。对加工余量比较大的毛坯部件，由于加工当中切除量比较大，因此在加工之后变形的可能性也越来越大。对于这种现象，采用分步加工的方式，先取出毛坯大部分余量，之后放置一段时间之后，使用粗加工的方式，让内应力得到充分释放，然后再使用后续半精加工、精加工的方式来加工，逐步缩小加工余量可能存在应力破坏，不断提高精度，有效减少因为连续施工导致工件变形的可能性，避免了后续施工当中存在的加工变形的可能性。

3.2 刀具的切削性能的改善

在加工的过程中，影响刀具切削性能的参数比较多，比如刀具材料与刀具参数等，都会影响到切削过程当中的力度和温度，合理选择刀具能减少零件加工变形当中存在的变形可能性[3]。

（1）参数选择；首先合理选择刀具的参数。①刀具前角，保持刀刃强度，在此前提下，铝合金零件的加工通常会选择一些比较大的前角，这样就能够切削磨削出锋利的刀刃，能够降低切削力避免出现切削变形的可能性，并且能够快速排出磨削屑，保证顺利排出，同时另外切削力也不断减少，避免了切削过程当中存在的挤压塑性变形的可能性，降低了切削热量的存在，降低了区域面积存在的问题。而且尤其要注意铝合金切削的时候，避免使负前角刀具。②刀具后角，后角大小能够影响到后刀面的磨损，以及影响到加工表面的质量。切削厚度的影响因素是后角。在粗铣的时候往往过于追求效率，因此采用大的进给量来切削重，从而产生比较大的切削量，这对刀具的散热性能提出了更多要求。因此在实际的加工当中应该选择小一点的刀具后角，同时精铣的时候也要追求质量，尽量选择刀刃锋利，尽量减少后刀面和加工表面之间的摩擦，因此尽量选择比较大的刀具后角。③螺旋角，会影响到铣削过程当中的平稳性、铣削力，可以避免铣削过程中出现振动的情况，避免波动和变形，因此尽量选择铣刀螺旋角。④主偏角，一方面可以适当减少主偏角，能够延长刀具刀口和加工面之间的接触来改善散热条件，可以降低平均温度；另一方面主偏角大小也会直接影响到铣削过程当中的径向力大小，因此实际的加工当中尽量降低径向力，减小工件的变形。

（2）合理选择刀具结构：①使用梳齿铣刀来增加容纳碎屑的空间，因为铝合金的材料塑性比较好，切削过程当中容易产生变形，而梳齿铣刀在特定直径下容纳空间比较大，可以缓解切屑堆积而引起的挤压变形；②使用双正前角铣刀，这种刀具在实际的加工当中都不容易产生积屑瘤，切削力稳定且变形小[4]。

（3）严格控制刀具的质量。①提高刀齿的表面质量，在使用之前使用细油石轻磨几下，从而去除磨刀细齿切削表面的粗糙度，可以降低因为内部摩擦产生的切削热，也可以减少切削变形的可能性；②严格控制刀具的磨损标准，刀具切削在一段时间之后必然会存在磨损，刀具表面质量下降很容易增加粗糙程度，导致部件发热、产生变形量。因此在实际的加工当中应该选择耐磨性能好的刀具材料，从而防止变形。

3.3 工件装夹方式的改善

在生产加工当中，由于刚性比较差，因此需要针对不同部件的特征进行控制。①针对薄壁型衬套零件，针对这种部件，加工的时候一定要夹紧，比如使用轴向端面压紧的方式来避免变形；②针对薄壁板类型零件，可以选择真空吸盘来加以控制。另外，也可以在精加工即将完毕之前，松一下压紧部件来恢复弹性，之后在压紧，保证精加工的压紧力即可。

3.4 刀具加工路径的优化

在传统铣削加工当中，粗铣的时候为了提高加工效率，往往会选择大切、快给进的加工方式，这种方式切削力度比较大，刀具很容易变形，同时对的夹紧力也非常大，导致工件变形。但是在现代化发展的过程中，CAD/CAM 技术的广泛运用，能够很好规避传统加工当中的曲线，能够生成合理的刀具路径，保证加工效率，也可以科学控制变形[5]。

3.5 合理安排加工顺序

在加工的过程中，应该按照铝合金的具体特征，做好变形控制，才能保证生产的合理性和科学性；①粗加工、精加工分离，能充分释放粗加工引起的变形可能性。对于精度要求比较高度零件，粗加工完毕之后放置一段时间再进行精加工；精加工能够修正粗加工存在缺陷，也可以修复变形的可能性，从而保证零件的精度；②对称加工，同时降低切削的温度，当加工余量比较大的情况下，单方面连续加工热量集中、散热比较难，因此选择对称双面多次加工来改善散热条件，避免应力集中存在缺陷。③多型腔加工，对于同一方向有多个型腔的零件，加工的时候选择逐层加工的方式完成，可以消除零件受力不均匀导致的变形。