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发布日期:[2016-04-24]    共阅[1730]次
    减少铝合金零件加工变形与工件表面变黑的原因及措施

2016-04-20 工具技术

  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、切削液的性能等都有关系。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。
(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;φ30——φ60mm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,零件精加工表面要保持均匀的加工
余量,一般以0.2-0.5mm为宜,使刀具在加工过程中处于平稳的状
态,可以大大减少切削变形,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。
  铝氧化加工铝合金铸造一般都是用金属型铸造,金属铝及铝
合金具有很好的流动性和可塑性,但在使用过程中容易变黑,到
底怎么回事呢?
①工艺设计不合理。
  铝合金压铸件在清洗或压检后处理不当,为铝合金压铸件发
霉变黑创造了条件,加速了霉变的生成。
②仓储管理不到位。
  将铝合金压铸件存放在仓库不同的高度,其发霉的状况也不
同。
③铝合金的内部因素。
  很多铝合金压铸件厂家在压铸、机加工工序之后,不做任何
清洁处理,或者简单的用水冲冲,无法做到彻底清洗干净,压铸
铝表面残留有脱模剂、切削液、皂化液等腐蚀性物质以及其他污
渍,这些污渍加快了铝合金压铸件长霉点变黑的速度。
④铝合金外部环境因素。
  铝是活泼金属,在一定的温度和湿度条件下极易氧化变黑或
发霉,这是铝本身的特性决定的。
⑤选用清洗剂不得当。
  选用的清洗剂具有强腐蚀性,造成压铸铝腐蚀氧化。

 
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