铝合金结构件铣削加工性研究现状

刘畅

【摘 要】铝合金具有轻量化、刚性好、强度高、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造复杂美观曲面等特征，因而在航空航天、车辆工程等领域的应用十分广泛。铝合金薄壁、框体等结构件刚性较低、铣削加工余量大、加工工艺性较差、切削过程中由于切削力和切削振动的作用容易产生变形，本文综述了国内外在铝合金结构件切削加工变形方面的研究进展。

【关键词】铝合金结构件；铣削加工性；加工变形

0 引言

铝合金具有轻量化、刚性好、强度高、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造复杂美观曲面等特征，因而铝合金作为结构材料的应用越来越广泛，在航空航天、车辆工程等领域呈现良好的发展势头。表1列举了几种典型铝合金的机械性能。

航天航空方面，铝合金在飞机上主要是用作结构材料。据统计，民用飞机铝合金结构件的用量占飞机自身质量的60%～80%，最新型的B777客机上，铝合金结构件占机体结构质量的70%，美国铝业公司为欧洲空客公司（A300）提供的铝材制造的零部件示意图指出铝合金达78%。据美国铝业公司的数据，汽车中典型的铝质零件的一次减重效果可达30%～40%，二次减重可进一步提高到50%；每使用1kg铝，可使轿车寿命周期中减少20kg的尾气排放，因此采用铝合金结构件能有效节能减排，实现可持续发展的战略目标。目前已经研制开发出了全铝列车、全铝汽车、铝坦克（装甲机）、铝舰艇、铝炮架等，加之大型整体壁板和空心复杂薄壁型材的成功研制，促进了大型挤压型材在铁道车辆上的应用。因而铝合金的切削加工性能受到了许多研究者的关注。

1 铝合金结构件加工变形

铝合金结构件零件由于刚性较低，铣削加工余量大，加工工艺性较差，切削过程中受到切削力的作用容易产生变形，另外工件内的残余应力对工件的强度、疲劳寿命、抗应力腐蚀性能和结构尺寸稳定性都有很大的影响。同时切削力、切削热和机械振动等因素也会导致工件变形。一般来说，导致铝合金结构件在加工过程中变形的因素分为以下几种：①材料本身影响；②切削过程中刀具与工件间的热—热力耦合作用；③工件装夹方式；④初始残余应力等。如图1所示铣削加工结束，装夹释放后，加工时的残余应力释放零件容易发生明显的翘曲变形。

目前许多学者对不同铝合金结构件加工变形进行了研究。梅中义、杨吟飞等分析了航空整体结构件铣削加工时易变形问题，主要研究了残余应力对加工变形的影响。张烘州等研究了大型航空整体结构件因刚性差，切削力、切削热及切削振动等导致零件变形问题。王春等对铝合金车体结构件铣削时筋变形进行了研究，结果表明切削力和工件刚度是影响切削变形的主要因素。王树宏等人提出了铝合金厚板初始残余应力的测量方案，分析了宏观加工变形与残余应力的关系。曹岩等研究了铝合金材料LYl2CZ方形直侧壁工件在不同切削用量下的变形。由于铣削铝合金结构件存在的变形、振动等问题，因此对铝合金结构件的变形、振动机理研究显得尤为重要。

2 铝合金结构件加工变形控制

2.1 抑制和消除铝合金结构件的初始和铣削时的残余应力

铝合金结构件在加工过程中，由于毛坯初始残余应力的释放与重分布而引起的加工变形问题已成为铝合金结构件制造中的关键技术难点之一，并且残余应力的抑制与消除有助于控制加工变形。残余应力抑制与消除一般方法有自然时效、热应力时效、敲击时效、振动时效、超声冲击等。Omar Fergani等通过建模的方法提出了铣削残余应力预测模型，能够有效的预测各种切削条件下残余应力的分布情况。Xiaohui Jiang等人研究了铣削薄壁铝合金时刀具直径大小对工件残余应力和变形的影响，结果表明直径大的刀具能有效减少残余应力的分布。王晓燕研究了铣削加工对铝合金薄壁件残余应力的影响，结果表明：随着铣削的进行，试件余料内部应力不断释放，应力场出现重分布，得到了薄壁铝合金铣削时残余应力的分布规律。姚春臣等人对2A12铝合金板形件分别用振动时效和热处理时效做了对比试验，实验表明振动时效的效果比190℃×10h热处理时效的效果好，振动时效的能源消耗也远比热处理时效的能源消耗低。王世中、王秋成等人对铝合金残余应力的抑制与消除提供了解决方案，提出了在铝合金结构件淬火后的不稳定状态进行残余应力消除处理效果最佳，并辅以高温时效、振动、周期拉伸等有效的消除残余应力的手段。通过选择使用这些方法，可以使残余应力消除20%-90%左右。美国Alcoa公司提出深冷急热法，通过将浸入液氮中冷透后的铝合金构件采用高压蒸汽喷射进行“反淬火”（uphill quenching）来消除航空铝合金构件（正）淬火引起的残余应力。唐志涛等从热力耦合的角度对残余应力的形成机理进行了研究，指出低速切削铝合金时，切削力较大，“挤光效应”引起的残余压应力占主导地位；而在高速切削时，随着切削力下降，切削温度升高，热载荷引起的残余拉应力逐渐占据优势。

2.2 工艺策略对加工变形的影响

铝合金结构件中如薄壁零件结构复杂，相对刚度较低，在切削加工中极易发生加工变形，造成壁厚上厚、下薄、尺寸超差等，使用传统的加工工艺很难保证其加工精度。针对薄壁零件刚性差、强度弱，加工工艺性差，易发生加工变形和切削振动等情况，改变工件的装夹方式，优化走刀路径，探索控制薄壁件削加工变形的方法，这对于提高生产率和保证零件的加工质量有显著意义。在加工过程中，装夹变形对铝合金零部件的加工精度和表面粗糙度影响很大。不合理的装夹方式容易产生装夹变形，影响加工质量甚至造成工件报废，因此在装夹铝合金结构件时因注意尽量减少装夹次数避免多次装夹引起变形、增大零件的装夹接触面、选取合适的夹紧力与合理的夹紧方式夹紧位置。李沪曾、王金凤、孔啸等对铣削薄壁铝合金加工工艺做了研究，分别对薄壁铝合金的装夹方法、走刀路径进行了论述，还提出了高速切削时相对运动速度高，让铣刀圆弧或倾斜地径向切入试件（如图2a所示），或者轴向螺旋地进刀（如图2b所示）的方法，有利于保持切削过程平稳，提高加工精度和表面质量。

张克昌等从切削刀具选型优化、工装的优化、工艺参数的优化3个方面对城轨车辆B型车底架加工工艺进行了改善。王一江等通过对铝合金2A12铣削加工整体变形和局部变形进行了研究，研究通过对2A12铝合金的铣削单因素试验，确定了在针对2A12铝合金材料的铣削加工过程中，应尽量选择较大的主轴转速和较小的进给量以减小铣削力，进而减少铣削力对铝合金薄壁工件加工变形的影响。此外由于不少铝合金结构件为内部中空，故其铣削过程出于不连续状态，其铣削力不均匀，铣削温度比较高，极易造成变形，可以采用小切削深度、小每齿进给量、适当的切削宽度、极高的主轴转速（从而获得很高的进给速度）的铣削工艺参数组合，既可以减小薄壁零件的加工变形量，又可以提高铣削效率。

2.3 冷却与润滑对加工变形的影响

铣削铝合金结构件时采用高效乳化切削液冷却润滑，有利于降低铣削力和铣削温度，防止切屑粘结在整体硬质合金铣刀上不能分离而使刀具报废。并且能有效抑制铣削过程中刀具与工件间因热力耦合作用产生的变形。近年来相对有冷却液的切削方式，国内外提倡绿色加工，干切削应运而生，但是两种切削方式都有缺陷。湿切削的切削液存在的缺陷有：

①长期暴露在空气中或切削加工中由切削热造成的切削液雾状挥发，容易污染环境、危害操作者健康，切削液中的硫、氯等添加剂危害更大，影响加工表面质量；②切削液的使用影响加工成本，据统计，切削液占生产成本的16.9%，而刀具费用仅占3%；③切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故；④切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高，增加了生产成本。并且在切削时因切削液加注过程的不连续性及冷却程度的不均匀性，使刀具产生不规则的冷、热交替变化、容易使刀刃产生裂纹、引起刀具破损、从而降低刀具使用寿命。干切削的缺陷是切削温度比湿切削时高得多，另外干切削在切削时对刀具要求较高，刀具需有良好热硬耐磨性、较低摩擦系数、较高热化学稳定性。1996年美国制造工程师学会Green Manufacturing中首次提出绿色制造这一概念。金属切削的“绿色”切削是指在保证产品质量的前提下，尽量不用或少用切削液，以最大限度地减少切削液对人和环境的危害。目前常见的方式有：干切削、微量润滑切削、低温冷风切削、液氮冷却切削等。由于传统的湿切削和干切削都有一定的缺陷，最小微量润滑切削（Minimal Quantity Lubrication）、低温冷风切削、液氮油雾冷却切削被众多研究者吸引。

由于铝合金结构件铣削时铣削力的震荡不稳定性和较高的铣削温度决定了铣削铝合金结构件时不能单独的使用传统的湿切削和干切削。微量润滑切削、低温冷风切削、液氮冷却切削等方式成为了铝合金结构件铣削冷却润滑的选择。微量润滑进行切削，是将一定压力（0.3-1MPa）的压缩空气与微量的润滑液（50-125ml/h）混合气化后形成油雾，然后喷射到加工区，对加工接触面进行充分有效的润滑，同时工件仍然保持表面干燥，易于清理。微量润滑时使用的切削液的量较常规的湿式润滑要少很多，一般2-300mL/h；铣削铝合金结构件时一般将低温冷风切削、液氮冷却切削与微量润滑结合使用，达到更好的冷却润滑效果，从而抑制铝合金结构件的加工变形。近年来国内外众多研究者采用最小微量润滑切削铝合金结构件，Sreejith在不同冷却条件下（干切、MQL、冷却液）对铣削Al6061的铣削力、后刀面磨损、表面粗糙度的影响，结果表明使用MQL能有效降低切削力、后刀面磨损、表面粗糙度，进而减少加工变形，并且对环境污染小，切屑废料等在切削完后可回收利用，适用于当前绿色加工的主题。F.Itoigawa指出要保证在MQL条件下的好的切削加工性，需选用合适的润滑剂来形成强的边界膜，并且激冷效应下能维持边界膜的强度。Helmi Attia研究了两种润滑剂在高速加工时对刀具磨损的影响，通过比较认为抗磨（AW）添加剂和极压（EP）添加剂能有效减少刀具磨损和加工变形。

3 铝合金结构件铣削振动

铝合金结构件在加工过程中，除了加工变形难以控制以外，还会产生切削振动问题。刀具与工件间的切削相对振动，不仅恶化零件的加工表面质量，降低机床、刀具的使用寿命，还会产生危害操作人员的噪声，严重时使切削加工无法进行。机床加工中的振动分为强制振动和自激振动，前者主要在断续切削中随着切削力的强制变化而产生；后者通常在切削过程中产生，主要分为摩擦型振动和再生型振动。铝合金结构铣削时动态铣削力周期性的激励着刀具和工件间振动，这种振动严重影响刀具寿命，工件的表面粗糙度。如何降低铣削过程中的振动问题成为了众多研究者一大研究热点。李茂月等人采用计算机数值仿真指出降低铣削振动可以降低或增加主轴转速，让切削处于稳定区域内，也可减少轴向切削深度（如图3所示）。李春广等人对铝合金薄壁中空结构件重负荷铣削加工切削力及其影响因素进行了研究，结果表明在筋板交叉处切削力有剧烈波动，其值为切削单层铝合金时的8-10倍；在较宽的切削用量组合范围内，刀具工件系统易发生自激振动；刀具易发生刀尖崩刃和涂层剥落。龚叶利等采用保持工艺系统高刚性的加工过程工艺优化与铣削加工动力学仿真结合的方法进行铣削加工，较好地解决了航空铝合金薄壁结构工件加工的颤振问题。当前国内、外学者指出切削颤振不仅取决于切削力的动态特性，而且也取决于机床结构的动态特性。证明了动态切削力的非线性对于切削颤振是一个非常重要的因素。以Tlusty为代表的学者建立了“再生力—动态变形”模型该模型基于再生颤振理论，充分考虑了切削动态因素的影响，它将铣削加工系统看作是具有相互垂直作用的两个自由度的系统。汪通悦等人在考虑刀具和工件两个方向的自由度的基础上，分析、建立了薄壁零件的动态铣削模型针对4种径向切深利用实验分析所得的模态参数和力系数绘制了稳定性叶瓣图。A.Pramanik等人采用PCD刀具对SiCp/Al复合材料进行了车削试验研究，考虑了材料的去除方式和机理，将切削力分为三个来源：切屑变形力，耕犁力和颗粒破碎力，并讨论了切削速度对切削力的影响，建立了切削力预测模型。

4 总结

本文对铝合金结构件铣削加工变形控制和铣削加工振动影响因素进行了探讨，并且综述了铝合金结构零件铣削变形和铣削振动的研究发展状况。从中可以看到，对于铝合金结构零件铣削变形的研究还有待于进一步的发展。研究合适的工艺策略和振动机理控制铣削加工变形，对提高铝合金结构件铣削加工性具有显著的影响。

【参考文献】

[1]梅中义.飞机铝合金结构件数控加工变形分析与控制[J].北京航空航天大学学报，2009，35（2）：146-150.

[2]杨吟飞.7085铝合金残余应力及加工变形的数值仿真与试验[J].航空学报， 2014，35（2）：574-579.

[3]张烘州.航空铝合金整体结构件数控加工变形控制现状分析[J].新视点，2012，12：58-61

[4]王春，王强，林盛.铝合金车体结构件铣削时筋变形的实验分析[J].现代制造工程，2013，13：69-72.

[5]王树宏.预拉伸铝合金厚板7050T7451内部残余应力分布测试理论及试验研究[J].应用科学学报，2005，23（2）：192-194.

[6]曹岩.铝合金薄壁件数控铣削加工变形试验与分析[J].2009，12：80-82.

[7]Omar Fergani.Ismail Lazoglu. Analytical modeling of residual stress and the induced deflection of a milled thin plate[J].Int J Adv Manuf Technol（2014）75：455-463.

[8]Xiaohui Jiang. Effects of tool diameters on the residual stress and distortion induced by milling of thin-walled part[J].IntJ Adv Manuf Technol（2013）68：175-186.

[9]王晓燕.铣削加工对铝合金薄壁件残余应力的影响[J].材料热处理技术，2012，

41（10）：10-12.

[10]姚春臣.2A12 铝合金板形件振动时效试验[J].新技术新工艺，2008，8：61-62.

[11]王世中.LY12冷热加工的残余应力及其消除[J].航天工艺，1992，3：26-29.

[12]王秋成.航空高强度铝合金残余应力的抑制与消除[J].航空材料学报，2002. 22（3）：59-62.

[13]CROU CHER T. Uphill quenching o faluminum： Rebirth of a little-know n process[J].Heat Treating，1983（10）：30-34.

[14]唐志涛.航空铝合金残余应力及切削加工变形研究[D].山东大学，2008.

[15]王金凤.薄壁铝合金件的高速切削工艺研究[J].切削技术，2006，10：21-23.

[16]李沪曾.薄壁整体结构件的高速铣削[J].同济大学学报，2007，35（4）：522-525.

[17]孔啸.铝合金薄壁零件切削加工变形控制技术[J].机械设计与制造，2010，2：246-248.

[18]张克昌.城轨车辆B型车底架加工工艺改善[J].机电信息，2012，30（348）：112-123.

[19]陆颖.航空铝合金薄壁件高速铣削受力变形的试验研究[M].沈阳大学学报，2012，24（3）：27-31.

[20]Melnyk S A Smith R T. Green manufacturing[M].USA： Society of Manufacturing Engineers，1996.P.S. Sreejith. Machining of 6061 aluminium alloy with MQL，dry and flooded lubricant conditions[J].Materials Letters 62（2008）276-278.

[21]F. Itoigawa， T.H.C. Childs ， T. Nakamura， W. Belloc. Effects and mechanisms in minimal quantity lubrication machining of an aluminum alloy[J].Wear 260（2006） 339-344.

[22]李茂月.基于开放式控制器的铣削颤振在线抑制[J].机械工程学报，2012，48（17）：172-181.

[23]李春广，葛英飞，郭新.铝合金薄壁中空结构件重负荷铣削切削力研究[J].南京工程学院学报，2014，12（5）：53-58.

[24]龚叶利.基于Matlab 的薄壁零件铣削过程仿真[J].装备制造技术，2010，4.

[25]J.Tlusty，F Ismail. Basic nonlinearity in machine chatter[J].Annals of the CIRP，1981（30）：21-25.

[26]汪通悦.薄壁零件的高速铣削稳定性研究[J].现代制造工程，2011，5：17-20.

[27]A. Pramanik， L. C. Zhang， J. A. Arsecularatne. Prediction of cutting forces in machining of metal matrix composites[J].International Journal of Machine Tools &

Manufacture.46（2006）1795-1803.

[责任编辑：王楠]