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减少铝合金零件加工变形的途径


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减少铝合金零件加工变形的途径

 

在飞机结构中,为了减轻重量,采用了大量的铝合金材料的薄壁零件,由于铝合金零件材料热膨胀系数较大,薄壁加工过程中很容易变形。尤其是在采用自由锻毛坯时,加工余量大,变形问题更为突出。

1. 加工变形的原因

铝合金零件加工变形的原因很多,与材质、零件形状、生产条件等都有关系。主要有 以下几个方面:毛坯内应力引起的变形,切削力、切削热引起的变形,夹紧力引起的变形。2.减少加工变形的工艺措施

(1) 降低毛坯的内应力 采用自然或人工时效以及振动处理,均可部分消除毛坯的内应力。预先加工也是行之有效的工艺方法。对肥头大耳的毛坯,由于余量大,故加工后变形也大。若预先加工掉毛坯的多余部分,缩小各部分的余量,不仅可以减少以后工序的加工变形,而且预先加工后放置一段时间,还可以释放一部分内应力。

比如加工飞机大梁零件,毛坯铝合金材料重 60kg,而零件仅重 3kg。若一次性加工成形,平面度误差可高达 14mm,若先进行粗加工,自然时效一段时间后再加工成形为所需要的零件,则平面度误差可以减小到 3mm。

有些飞机元器零件,局部最小厚度仅为 3mm,加工前的毛坯厚度为 20mm。可以上加工中心用压板换压的方法将零件直接加工到尺寸,但是从工作台上取下来时,零件底部两端会向上翘起,造成尺寸严重超差甚至报废。

所以在加工之前,先在毛坯上开一个应力释放槽,再从工作台上取下,自然时效 1~2h, 让变形尽量在此时全部发生。之后,增加一个钳工校平工序将零件校平,则零件在后续加工中变形量会大幅度地降低。

(2) 改善刀具的切削能力 刀具的材料、几何参数对切削力、切削热有重要的影响,正确选择刀具,对减少零件加工变形至关重要。

①合理选择刀具几何参数。前角:在保持刀刃强度的条件下,前角适当选择大一些,一方面可以磨出锋利的刃口,另外可以减少切削变形,使排屑顺利,进而降低切削力和切削温度。切忌使用负前角刀具。

后角:后角大小对后刀面磨损及加工表面质量有直接的影响。切削厚度是选择后角的 重要条件。粗铣时,由于进给量大,切削负荷重,发热量大,要求刀具散热条件好,因此, 后角应选择小一些。精铣时,要求刃口锋利,减轻后刀面与加工表面的摩擦,减小弹性变 形,因此,后角应选择大一些。

螺旋角:为使铣削平稳,降低铣削力,螺旋角应尽可能选择大一些。

主偏角:适当减小主偏角可以改善散热条件,使加工区的平均温度下降。

②改善刀具结构。减少铣刀齿数,加大容屑空间。由于铝合金材料塑性较大,加工中切削变形较大,需要较大的容屑空间,因此容屑槽底半径应该较大、铣刀齿数较少为好。例如,φ20mm 以下的铣刀采用两个刀齿;φ30φ60mm 的铣刀采用三个刀齿较好,以避免因切屑堵塞而引起薄壁铝合金零件的变形。

精磨刀齿:刀齿切削刃部的粗糙度值要小于 Ra=0.4um。在使用新刀之前,应该用细油石在刀齿前、后面轻轻磨几下,以消除刃磨刀齿时残留的毛刺及轻微的锯齿纹。这样,不但可以降低切削热而且切削变形也比较小。


严格控制刀具的磨损标准:刀具磨损后,工件表面粗糙度值增加,切削温度上升,工件变形随之增加。因此,除选用耐磨性好的刀具材料外,刀具磨损标准不应该大于 0.2mm,否则容易产生积屑瘤。切削时,工件的温度一般不要超过 100℃,以防止变形。

③改善工件的夹装方法。对于刚性较差的薄壁铝合金工件,可以采用以下的夹装方法, 以减少变形:

对于薄壁衬套类零件,如果用三爪自定心卡盘或弹簧夹头从径向夹紧,加工后一旦松 开,工件必然发生变形。此时,应该利用刚性较好的轴向端面压紧的方法。以零件内孔定 位,自制一个带螺纹的穿心轴,套入零件的内孔,其上用一个盖板压紧端面再用螺帽背紧。加工外圆时就可避免夹紧变形,从而得到满意的加工精度。

对薄壁薄板工件进行加工时,最好选用真空吸盘,以获得分布均匀的夹紧力,再以较小的切削用量来加工,可以很好地防止工件变形。

另外,还可以使用填塞法。为增加薄壁工件的工艺刚性,可在工件内部填充介质,以减少装夹和切削过程中工件达变形。例如,向工件内灌入含 3%~6%硝酸钾的尿素熔融物,加工以后,将工件浸入水或酒精中,就可以将该填充物溶解倒出。

④合理安排工序。高速切削时,由于加工余量大以及断续切削,因此铣削过程往往产生振动,影响加工精度和表面粗糙度。所以,数控高速切削加工工艺过程一般可分为;粗加工

-半精加工-清角加工-精加工等工序。对于精度要求高的零件,有时需要进行二次半精加工, 然后再进行精加工。粗加工之后,零件可以自然冷却,消除粗加工产生的内应力,减小变 形。粗加工之后留下的余量应大于变形量,一般为 1~2mm。精加工时,零件精加工表面要持均匀的加工余量,一般以 0.20.5mm 为宜,使刀具在加工过程中处于平稳的状态,可大大减少切削变形,获得良好的表面加工质量,保证产品的精度。

3. 操作技巧

铝合金材料的零件在加工过程中变形,除了上述的原因之外,在实际操作中,操作方法也是非常重要的。

(1) 对于加工余量大的零件,为使其在加工过程中有比较好的散热条件,避免热量集中, 加工时,宜采用对称加工。如有一块 90mm 厚的板料需要加工到 60mm,若铣好一面后立即铣削另一面,一次加工到最后尺寸,则平面度达 5mm;若采用反复进刀对称加工,每一面分两次加工到最后尺寸,可保证平面度达到 0.3mm

(2) 如果板材零件上有多个型腔,如图 4 所示。加工时,不宜采用一个型腔一个型腔的次序加工方法,这样容易造成零件受力不均匀而产生变形。采用分层多次加工,每一层尽量同时加工到所有的型腔,然后再加工下一个层次,使零件均匀受力,减小变形。

(3) 通过改变切削用量来减少切削力、切削热。在切削用量的三要素中,背吃刀量对切削力的影响很大。如果加工余量太大,一次走刀的切削力太大,不仅会使零件变形,而且还会影响机床主轴刚性、降低刀具的耐用度。如果减少背吃刀量,又会使生产效率大打折扣。不过,在数控加工中都是高速铣削,可以克服这一难题。在减少背吃刀量的同时,只要相应地增大进给,提高机床的转速,就可以降低切削力,同时保证加工效率。

(4) 走刀顺序也要讲究。粗加工强调的是提高加工效率,追求单位时间内的切除率,一般可采用逆铣。即以最快的速度、最短的时间切除毛坯表面的多余材料,基本形成精加工所要求的几何轮廓。而精加工所强调的是高精度高质量,宜采用顺铣。因为顺铣时刀齿的切削厚度从最大逐渐递减至零,加工硬化程度大为减轻,同时减轻零件的变形程度。

(5) 薄壁工件在加工时由于装夹产生变形,即使精加工也是难以避免的。为使工件变形减小到最低限度,可以在精加工即将达到最后尺寸之前,把压紧件松一下,使工件自由恢复到原状,然后再轻微压紧,以刚能夹住工件为准(完全凭手感),这样可以获得理想的加


工效果。总之,夹紧力的作用点最好在支承面上,夹紧力应作用在工件刚性好的方向,在保证工件不松动的前提下,夹紧力越小越好。

(6) 在加工带型腔零件时,加工型腔时尽量不要让铣刀像钻头似的直接向下扎入零件, 导致铣刀容屑空间不够,排屑不顺畅,造成零件过热、膨胀以及崩刀、断刀等不利现象。要先用与铣刀同尺寸或大一号的钻头钻下刀孔,再用铣刀铣削。或者,可以用 CAM 软件生产螺旋下刀程序。

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