如何減少數控車床加工中鋁合金工件的變形

現在數控車床加工中會經常遇到需要加工比較薄的工件，例如飛機的零件，為了減輕負擔，往往會采用大量的鋁合金材料，而鋁合金工件材料遇熱系數也比較大，導致加工的過程中很容易變形。鋁合金零件加工變形的原因也有很多方面的，和材質、零件形狀、生產條件、切削液都有關系，主要從切削力和切削熱引起的變形、毛坯內應力引起的變形和夾緊力引起的變形。那么如何減少工件變形的情況呢？

一、減少加工變形的工藝措施

1、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。

后角：后角大小對后刀面磨損及加工表面質量有直接的影響。切削厚度是選擇后角的重要條件。粗銑時，由于進給量大，切削負荷重，發熱量大，要求刀具散熱條件好，因此，后角應選擇小一些。精銑時，要求刃口鋒利，減輕后刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，后角應選擇大一些。

螺旋角：為使銑削平穩，降低銑削力，螺旋角應盡可能選擇大一些。

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。由于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、銑刀齒數較少為好，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于Ra=0.4um。在使用新刀之前，應該用細油石在刀齒前、后面輕輕磨幾下，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：刀具磨損后，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于0.2mm，否則容易產生積屑。切削時，工件的溫度一般不要超過100℃，以防止變形。

③合理安排工序

高速切削時，由于加工余量大以及斷續切削，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為：粗加工-半精加工-清角加工-精加工等工序。對于精度要求高的零件，有時需要進行二次半精加工，然后再進行精加工。粗加工之后，零件可以自然冷卻，消除粗加工產生的內應力，減小變形。粗加工之后留下的余量應大于變形量，一般為1-2mm。精加工時，零件精加工表面要保持均勻的加工余量，一般以0.2-0.5mm為宜，使刀具在加工過程中處于平穩的狀態，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。

2、降低毛坯的內應力

采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。對于較大的毛坯，由于余量大，故加工后變形也大。若預先加工掉毛坯的多余部分，縮小各部分的余量，不僅可以減少以后工序的加工變形，而且預先加工后放置一段時間，還可以釋放一部分內應力。

3、改善工件的夾裝方法

對于剛性較差的薄壁鋁合金工件，可以采用以下的夾裝方法，以減少變形：

對于薄壁襯套類零件，如果用三爪自定型卡盤或彈簧夾頭從徑向夾緊，加工后一旦松開，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鎖緊。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，以獲得分布均勻的夾緊力，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。為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，加工以后，將工件浸入水或酒精中，就可以將該填充物溶解倒出。

二、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）對于加工余量大的零件，為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，宜采用對稱加工。如有一塊90mm厚的板料需要加工到60mm，若銑好一面后立即銑削另一面，一次加工到最后尺寸，則平面度達5mm；若采用反復進刀對稱加工，每一面分兩次加工到最后尺寸，可保證平面度達到0.3mm。

（2）如果板材零件上有多個型腔，加工時，不宜采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。采用分層多次加工，每一層盡量同時加工到所有的型腔，然后再加工下一個層次，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，吃刀量對切削力的影響很大。如果加工余量太大，一次走刀的切削力太大，不僅會使零件變形，而且還會影響機床主軸剛性、降低刀具的耐用度。如果減少吃刀量，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。在減少吃刀量的同時，只要相應地增大進給，提高機床的轉速，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，一般可采用逆銑。即以最快的速度、最短的時間切除毛坯表面的多余材料，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，宜采用順銑。因為順銑時刀齒的切削厚度從最大逐漸遞減至零，加工硬化程度大為減輕，同時減輕零件的變形程度。

（5）薄壁工件在加工時由于裝夾產生變形，即使精加工也是難以避免的。為使工件變形減小到最低限度，可以在精加工即將達到最后尺寸之前，把壓緊件松一下，使工件自由恢復到原狀，然后再輕微壓緊，以剛能夾住工件為準(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撐面上，夾緊力應作用在工件剛性好的方向，在保證工件不松動的前提下，夾緊力越小越好。

（6）在加工帶型腔零件時，加工型腔時盡量不要讓銑刀像鉆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鉆頭鉆下刀孔，再用銑刀銑削。或者，可以用CAM軟件生產螺旋下刀程序。

一把材質合適、精度高、質量好的刀具也是減少加工鋁合金工件變形重要的一點。