鋁合金加工中避免零件變形的六種方法
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青海KU体育官网APP新型材料有限公司 發佈時間：2020-05-23
在飛機結構中，爲了減輕重量，採用了大量的鋁合金材料的薄壁零件，由於鋁合金零件材料熱膨脹係數較大，薄壁加工過程中很容易變形。尤其是在採用自由鍛毛坯時，加工餘量大，變形問題更爲突出。
1.加工變形的原因
鋁合金零件加工變形的原因很多，與材質、零件形狀、生產條件等都有關係。主要有以下幾個方面：毛坯內應力引起的變形，切削力、切削熱引起的變形，夾緊力引起的變形。
2.減少加工變形的工藝措施
（1）降低毛坯的內應力 採用自然或人工時效以及振動處理，均可部分消除毛坯的內應力。預先加工也是行之有效的工藝方法。對肥頭大耳的毛坯，由於餘量大，故加工後變形也大。若預先加工掉毛坯的多餘部分，縮小各部分的餘量，不僅可以減少以後工序的加工變形，而且預先加工後放置一段時間，還可以釋放一部分內應力。
（2）改善刀具的切削能力 刀具的材料、幾何參數對切削力、切削熱有重要的影響，正確選擇刀具，對減少零件加工變形至關重要。
①合理選擇刀具幾何參數。前角：在保持刀刃強度的條件下，前角適當選擇大一些，一方面可以磨出鋒利的刃口，另外可以減少切削變形，使排屑順利，進而降低切削力和切削溫度。切忌使用負前角刀具。
後角：後角大小對後刀面磨損及加工表面質量有直接的影響。切削厚度是選擇後角的重要條件。粗銑時，由於進給量大，切削負荷重，發熱量大，要求刀具散熱條件好，因此，後角應選擇小一些。精銑時，要求刃口鋒利，減輕後刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，後角應選擇大一些。
螺旋角：爲使銑削平穩，降低銑削力，螺旋角應儘可能選擇大一些。
主偏角：適當減小主偏角可以改善散熱條件，使加工區的平均溫度下降。
②改善刀具結構。減少銑刀齒數，加大容屑空間。由於鋁合金材料塑性較大，加工中切削變形較大，需要較大的容屑空間，因此容屑槽底半徑應該較大、銑刀齒數較少爲好。例如，φ20mm以下的銑刀採用兩個刀齒；φ30——φ60mm的銑刀採用三個刀齒較好，以避免因切屑堵塞而引起薄壁鋁合金零件的變形。
精磨刀齒：刀齒切削刃部的粗糙度值要小於Ra=0.4um。在使用新刀之前，應該用細油石在刀齒前、後面輕輕磨幾下，以消除刃磨刀齒時殘留的毛刺及輕微的鋸齒紋。這樣，不但可以降低切削熱而且切削變形也比較小。
嚴格控制刀具的磨損標準：刀具磨損後，工件表面粗糙度值增加，切削溫度上升，工件變形隨之增加。因此，除選用耐磨性好的刀具材料外，刀具磨損標準不應該大於0.2mm，否則容易產生積屑瘤。切削時，工件的溫度一般不要超過100℃，以防止變形。
③改善工件的夾裝方法。對於剛性較差的薄壁鋁合金工件，可以採用以下的夾裝方法，以減少變形：
對於薄壁襯套類零件，如果用三爪自定心卡盤或彈簧夾頭從徑向夾緊，加工後一旦鬆開，工件必然發生變形。此時，應該利用剛性較好的軸向端面壓緊的方法。以零件內孔定位，自制一個帶螺紋的穿心軸，套入零件的內孔，其上用一個蓋板壓緊端面再用螺帽背緊。加工外圓時就可避免夾緊變形，從而得到滿意的加工精度。
對薄壁薄板工件進行加工時，最好選用真空吸盤，以獲得分佈均勻的夾緊力，再以較小的切削用量來加工，可以很好地防止工件變形。
另外，還可以使用填塞法。爲增加薄壁工件的工藝剛性，可在工件內部填充介質，以減少裝夾和切削過程中工件達變形。例如，向工件內灌入含3%——6%硝酸鉀的尿素熔融物，加工以後，將工件浸入水或酒精中，就可以將該填充物溶解倒出。
④合理安排工序。高速切削時，由於加工餘量大以及斷續切削，因此銑削過程往往產生振動，影響加工精度和表面粗糙度。所以，數控高速切削加工工藝過程一般可分爲；粗加工-半精加工-清角加工-精加工等工序。對於精度要求高的零件，有時需要進行二次半精加工，然後再進行精加工。粗加工之後，零件可以自然冷卻，消除粗加工產生的內應力，減小變形。粗加工之後留下的餘量應大於變形量，一般爲1——2mm。精加工時，零件精加工表面要保持均勻的加工餘量，一般以0.2——0.5mm爲宜，使刀具在加工過程中處於平穩的狀態，可以大大減少切削變形，獲得良好的表面加工質量，保證產品的精度。
如何減少鋁合金零件加工過程中變形的工藝措施
3.操作技巧
鋁合金材料的零件在加工過程中變形，除了上述的原因之外，在實際操作中，操作方法也是非常重要的。
（1）對於加工餘量大的零件，爲使其在加工過程中有比較好的散熱條件，避免熱量集中，加工時，宜採用對稱加工。如有一塊90mm厚的板料需要加工到60mm，若銑好一面後立即銑削另一面，一次加工到最後尺寸，則平面度達5mm；若採用反覆進刀對稱加工，每一面分兩次加工到最後尺寸，可保證平面度達到0.3mm。
（2）如果板材零件上有多個型腔，如圖4所示。加工時，不宜採用一個型腔一個型腔的次序加工方法，這樣容易造成零件受力不均勻而產生變形。採用分層多次加工，每一層儘量同時加工到所有的型腔，然後再加工下一個層次，使零件均勻受力，減小變形。
（3）通過改變切削用量來減少切削力、切削熱。在切削用量的三要素中，背吃刀量對切削力的影響很大。如果加工餘量太大，一次走刀的切削力太大，不僅會使零件變形，而且還會影響機牀主軸剛性、降低刀具的耐用度。如果減少背吃刀量，又會使生產效率大打折扣。不過，在數控加工中都是高速銑削，可以克服這一難題。在減少背吃刀量的同時，只要相應地增大進給，提高機牀的轉速，就可以降低切削力，同時保證加工效率。
（4）走刀順序也要講究。粗加工強調的是提高加工效率，追求單位時間內的切除率，一般可採用逆銑。即以最快的速度、最短的時間切除毛坯表面的多餘材料，基本形成精加工所要求的幾何輪廓。而精加工所強調的是高精度高質量，宜採用順銑。因爲順銑時刀齒的切削厚度從最大逐漸遞減至零，加工硬化程度大爲減輕，同時減輕零件的變形程度。
（5）薄壁工件在加工時由於裝夾產生變形，即使精加工也是難以避免的。爲使工件變形減小到最低限度，可以在精加工即將達到最後尺寸之前，把壓緊件鬆一下，使工件自由恢復到原狀，然後再輕微壓緊，以剛能夾住工件爲準（完全憑手感），這樣可以獲得理想的加工效果。總之，夾緊力的作用點最好在支承面上，夾緊力應作用在工件剛性好的方向，在保證工件不鬆動的前提下，夾緊力越小越好。
（6）在加工帶型腔零件時，加工型腔時儘量不要讓銑刀像鑽頭似的直接向下扎入零件，導致銑刀容屑空間不夠，排屑不順暢，造成零件過熱、膨脹以及崩刀、斷刀等不利現象。要先用與銑刀同尺寸或大一號的鑽頭鑽下刀孔，再用銑刀銑削。或者，可以用CAM軟件生產螺旋下刀程序。
1.加工變形的原因
鋁合金零件加工變形的原因很多，與材質、零件形狀、生產條件等都有關係。主要有以下幾個方面：毛坯內應力引起的變形，切削力、切削熱引起的變形，夾緊力引起的變形。
2.減少加工變形的工藝措施
（1）降低毛坯的內應力 採用自然或人工時效以及振動處理，均可部分消除毛坯的內應力。預先加工也是行之有效的工藝方法。對肥頭大耳的毛坯，由於餘量大，故加工後變形也大。若預先加工掉毛坯的多餘部分，縮小各部分的餘量，不僅可以減少以後工序的加工變形，而且預先加工後放置一段時間，還可以釋放一部分內應力。
（2）改善刀具的切削能力 刀具的材料、幾何參數對切削力、切削熱有重要的影響，正確選擇刀具，對減少零件加工變形至關重要。
①合理選擇刀具幾何參數。前角：在保持刀刃強度的條件下，前角適當選擇大一些，一方面可以磨出鋒利的刃口，另外可以減少切削變形，使排屑順利，進而降低切削力和切削溫度。切忌使用負前角刀具。
後角：後角大小對後刀面磨損及加工表面質量有直接的影響。切削厚度是選擇後角的重要條件。粗銑時，由於進給量大，切削負荷重，發熱量大，要求刀具散熱條件好，因此，後角應選擇小一些。精銑時，要求刃口鋒利，減輕後刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，後角應選擇大一些。
螺旋角：爲使銑削平穩，降低銑削力，螺旋角應儘可能選擇大一些。
主偏角：適當減小主偏角可以改善散熱條件，使加工區的平均溫度下降。
②改善刀具結構。減少銑刀齒數，加大容屑空間。由於鋁合金材料塑性較大，加工中切削變形較大，需要較大的容屑空間，因此容屑槽底半徑應該較大、銑刀齒數較少爲好。例如，φ20mm以下的銑刀採用兩個刀齒；φ30——φ60mm的銑刀採用三個刀齒較好，以避免因切屑堵塞而引起薄壁鋁合金零件的變形。
精磨刀齒：刀齒切削刃部的粗糙度值要小於Ra=0.4um。在使用新刀之前，應該用細油石在刀齒前、後面輕輕磨幾下，以消除刃磨刀齒時殘留的毛刺及輕微的鋸齒紋。這樣，不但可以降低切削熱而且切削變形也比較小。
嚴格控制刀具的磨損標準：刀具磨損後，工件表面粗糙度值增加，切削溫度上升，工件變形隨之增加。因此，除選用耐磨性好的刀具材料外，刀具磨損標準不應該大於0.2mm，否則容易產生積屑瘤。切削時，工件的溫度一般不要超過100℃，以防止變形。
③改善工件的夾裝方法。對於剛性較差的薄壁鋁合金工件，可以採用以下的夾裝方法，以減少變形：
對於薄壁襯套類零件，如果用三爪自定心卡盤或彈簧夾頭從徑向夾緊，加工後一旦鬆開，工件必然發生變形。此時，應該利用剛性較好的軸向端面壓緊的方法。以零件內孔定位，自制一個帶螺紋的穿心軸，套入零件的內孔，其上用一個蓋板壓緊端面再用螺帽背緊。加工外圓時就可避免夾緊變形，從而得到滿意的加工精度。
對薄壁薄板工件進行加工時，最好選用真空吸盤，以獲得分佈均勻的夾緊力，再以較小的切削用量來加工，可以很好地防止工件變形。
另外，還可以使用填塞法。爲增加薄壁工件的工藝剛性，可在工件內部填充介質，以減少裝夾和切削過程中工件達變形。例如，向工件內灌入含3%——6%硝酸鉀的尿素熔融物，加工以後，將工件浸入水或酒精中，就可以將該填充物溶解倒出。
④合理安排工序。高速切削時，由於加工餘量大以及斷續切削，因此銑削過程往往產生振動，影響加工精度和表面粗糙度。所以，數控高速切削加工工藝過程一般可分爲；粗加工-半精加工-清角加工-精加工等工序。對於精度要求高的零件，有時需要進行二次半精加工，然後再進行精加工。粗加工之後，零件可以自然冷卻，消除粗加工產生的內應力，減小變形。粗加工之後留下的餘量應大於變形量，一般爲1——2mm。精加工時，零件精加工表面要保持均勻的加工餘量，一般以0.2——0.5mm爲宜，使刀具在加工過程中處於平穩的狀態，可以大大減少切削變形，獲得良好的表面加工質量，保證產品的精度。
如何減少鋁合金零件加工過程中變形的工藝措施
3.操作技巧
鋁合金材料的零件在加工過程中變形，除了上述的原因之外，在實際操作中，操作方法也是非常重要的。
（1）對於加工餘量大的零件，爲使其在加工過程中有比較好的散熱條件，避免熱量集中，加工時，宜採用對稱加工。如有一塊90mm厚的板料需要加工到60mm，若銑好一面後立即銑削另一面，一次加工到最後尺寸，則平面度達5mm；若採用反覆進刀對稱加工，每一面分兩次加工到最後尺寸，可保證平面度達到0.3mm。
（2）如果板材零件上有多個型腔，如圖4所示。加工時，不宜採用一個型腔一個型腔的次序加工方法，這樣容易造成零件受力不均勻而產生變形。採用分層多次加工，每一層儘量同時加工到所有的型腔，然後再加工下一個層次，使零件均勻受力，減小變形。
（3）通過改變切削用量來減少切削力、切削熱。在切削用量的三要素中，背吃刀量對切削力的影響很大。如果加工餘量太大，一次走刀的切削力太大，不僅會使零件變形，而且還會影響機牀主軸剛性、降低刀具的耐用度。如果減少背吃刀量，又會使生產效率大打折扣。不過，在數控加工中都是高速銑削，可以克服這一難題。在減少背吃刀量的同時，只要相應地增大進給，提高機牀的轉速，就可以降低切削力，同時保證加工效率。
（4）走刀順序也要講究。粗加工強調的是提高加工效率，追求單位時間內的切除率，一般可採用逆銑。即以最快的速度、最短的時間切除毛坯表面的多餘材料，基本形成精加工所要求的幾何輪廓。而精加工所強調的是高精度高質量，宜採用順銑。因爲順銑時刀齒的切削厚度從最大逐漸遞減至零，加工硬化程度大爲減輕，同時減輕零件的變形程度。
（5）薄壁工件在加工時由於裝夾產生變形，即使精加工也是難以避免的。爲使工件變形減小到最低限度，可以在精加工即將達到最後尺寸之前，把壓緊件鬆一下，使工件自由恢復到原狀，然後再輕微壓緊，以剛能夾住工件爲準（完全憑手感），這樣可以獲得理想的加工效果。總之，夾緊力的作用點最好在支承面上，夾緊力應作用在工件剛性好的方向，在保證工件不鬆動的前提下，夾緊力越小越好。
（6）在加工帶型腔零件時，加工型腔時儘量不要讓銑刀像鑽頭似的直接向下扎入零件，導致銑刀容屑空間不夠，排屑不順暢，造成零件過熱、膨脹以及崩刀、斷刀等不利現象。要先用與銑刀同尺寸或大一號的鑽頭鑽下刀孔，再用銑刀銑削。或者，可以用CAM軟件生產螺旋下刀程序。
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