铝合金薄壁件加工中变形的因素分析与控制方法

一般认为，在壳体件、套筒件、环形件、盘形件、轴类件中，当零件壁厚与内径曲率半径（或轮廓尺寸）相比小于1：20时，称作为薄壁零件。这一类零件的共同特点是受力形式复杂，刚度低，加工时极易引起误差变形或工件颤振，从而降低工件的加工精度。薄壁零件因其制造难度极大，而成为国际上公认的复杂制造工艺问题。

一、薄壁件加工变形因素分析

薄壁件由于刚度低，去除材料率大，在加工过程中容易产生变形，对装夹工艺要求高，使加工质量难以保证。薄壁类零件在加工中引起变形的因素有很多，归纳总结有以下几个方面：

1、工件材料的影响

铝合金作为薄壁件最理想的结构材料，与其他金属材料相比，具有切削加工性好的特点。但由于铝合金导热系数高、弹性模量小、屈强比大、极易产生回弹现象，大型薄壁件尤为显著。因此，在相同载荷情况下，铝合金工件产生的变形要比钢铁材料的变形大，同时铝合金材料具有硬度小、塑性大和化学反应性高等性质，在其加工中极易产积屑瘤，从而影响工件的表面质量和尺寸精度。

2、毛坯初始残余应力的影响

薄壁件加工中的变形与毛坯内部的初始残余应力有直接的关系，同时由于切削热和切削力的影响，使工件和刀具相接触处的材料产生不能回弹的塑性变形。这种永久性的变形一旦受到力的作用就会产生残余应力，而在加工过程中，一旦破坏了毛坯的残余应力，工件内部为达到新的平衡状态而使应力重新分布，从而造成了工件的变形。

3、装夹方式的影响

在加工中夹具对工件的夹、压而引起的变形直接影响着工件的表面精度，同时如果由于夹紧力的作用点选择不当而产生的附加应力，也将影响工件的加工精度。其次，由于夹紧力与切削力产生的耦合效应，也将引起工件残余应力的重新分布，造成工件变形。

4、切削力和切削热的影响

切削力是影响薄壁件变形的一个重要因素。切削力会导致工件的回弹变形，产生不平度，当切削力达到工件材料的弹性极限会导致工件的挤压变形。在切削加工过程中，刀具与工件之间的摩擦所作的功，材料在克服弹性、塑性变形过程中所做的功绝大部分转化为加工中的切削热，从而导致工件的各部分的温度差，使工件产生变形。

5、加工路线的因素

金属材料在加工过程中由于受到机械力和切削热等因素产生的永久性变形一旦受到邻近部分金属材料的阻挡就势必产生残余应力，因此残余应力对工件变形的影响很大程度上取决于加工路线的选取。路径不同，产生的新的残余应力与原有残余应力的耦合顺序和祸合效果不同，将引起工件变形的不同。

二、铝合金薄壁件加工变形的控制途径

1、消除和均匀内化残余应力

薄壁件在加工中随着金属材料被切除，一方面会带来原有残余应力的释放，另一方面会在已加工表面产生新的残余应力，进而会影响工件的加工质量和精度。生产中，如能做到把毛坯残余应力降低或均匀化，则可极大程度降低工件的加工变形。目前，在生产实践中，為达到此目的，采用在原材料制作中采取化学成分控制、熔炼浇铸和挤压成型、固溶淬火和时效处理等方法。

2、优化刀具路径

薄壁件加工中，走刀路径的不同，残余应力将产生不同的作用效果。如果走刀路径选取的不合理，在高速加工中会出现由于切削载荷突变，给机床、工件和刀具带来冲击，严重时会损坏。在实际加工中，刀具路径的选取可遵循以下优化规则：

（1）采用螺旋或圆弧进刀方法，使刀具渐入零件，保证加工中不产生突变的切削力，减小刀具磨损，延长使用寿命。

（2）尽量采用顺铣，以便保证加工过程平稳、工件表面质量好、刀具磨损小、不产生过切现象等。

（3）要保证切削的连续平稳性，切削速度要连续，不要有大幅度的突变。

（4）选取小的轴向切深量，以减小切削力，降低切削热，保障排屑的通畅。

（5）保证切削方向的改变时平稳逐渐的，刀具轨迹应避免尖角，课采用圆弧或其它曲线来代替。

3、改进装夹方式

夹具是在加工中对工件起定位和夹紧作用的装置，而在影响薄壁件加工变形的诸多因素中，装夹应力引起的变形约占20%-60%。因此，铝合金薄壁件高速加工中，夹具除了应满足夹紧和定位的基本要求外，还应考虑其刚性差、易变形等因素。目前，在国外发达国家，整在使用电控永磁吸盘装夹，它在高速加工中具有相当重要的作用。

4、选择合理的切削参数

高速加工中的切削三要素（切削速度、背吃刀量、每齿进给量）对被加工工件的质量和精度有着直接的影响。

在高速切削加工中，随着切削速度的增大，切削力减小，切削温度升高，摩擦系数减小，但当切削速度Vc>1500m/min时，将会增加切削力，增大机床功率消耗。在薄壁件数控加工中，为解决易变形问题提出了基于四步（确定边界点、确定关键区域、修改切削参数、修改刀位文件）的进给量局部优化法。在切削参数选择时，应该尽量选取小的每齿进给量和切削深度，可以通过提高切削速度的方式提高进给速度。每齿进给量越小，工件表面残留高度越低，表面粗糙度值越低。所以在高速切削中，提高零件表面质量的一个有效途径是减小进给量，但也不宜过小，进给量过小，会增加刀具刃口圆弧半径对工件加工表面的挤压，增加冷硬程度和残余应力。

（作者单位：沈阳市苏家屯区职业教育中心）