铝合金薄壁零件切削加工变形控制技术

机械设计与制造第 2 期246文章编号：1001-3997（2010）02-0246-03MachineryDesignManufacture2010 年 2 月铝合金薄壁零件切削加工变形控制技术孔 啸李 铭卞大超（模具 CAD 国家工程研究中心，上海 200030）Cutting deflection control for the aluminum alloy thin-wall component fabricationKONG Xiao，LI Ming，BIAN Da-chao（National Engineering Research Center of Die & Mold CAD，Shanghai 200030，China） 【摘 要】基于对铝合金薄壁件切削加工的经验积累，归纳总结了汽车功能主模型中铝合金薄壁零件的切削加工变形的控制技术。有限元分析法被用于分析切削加工引起的弹性变形，以检验和优化加工 工艺设计方案。同时，还系统分析了加工基准的设置、工艺桩位置的布置、铣刀材质的比较、冷却液的选 用、CAM 编程刀具轨迹的优化以及特殊形状的分型问题等方面对加工变形的控制技术。上述技术已在实 际加工中获得成功应用，这些技术对其他领域的薄壁件加工变形控制也有很强的指导意义。关键词：汽车功能主模型；铝合金薄壁件；切削加工；有限元法【Abstract】Based on the knowledge accumulation on the cutting of aluminum alloy thin-wall compo nent，the methods to control the cutting deflection during the key component fabrication of cubing for the whole vehicle model were summarized systematically. The FEM was used to predict the cutting-induced e lastic deflection，which is of help to verify and optimize the machining process plan. Meanwhile，The key techniques were also elaborated in the aspects of cutting baseline setup，distribution of the positions for process stakes，comparison of the milling cutter materials，selection of the coolant，optimization of the CAMcutting path and the parting line for the special geometries. The above techniques have been successfully utilized in practice，and those technologies is also valuable for the cutting deflection control in other fields of thin-wall component machining.Key words：Vehicle functional cubing；Aluminum alloy thin-wall component；Cutting；FEM中图分类号：TH16文献标识码：A目前国内外对整车功能主模型的制造，要求采用整体铣削加 工成型，所用材料为特种铝合金。所谓整体加工，是指所有涉及功 能主模型检具的部件全部采用整体铝合金材料分别加工而成。由 于主模型结构中许多零件的形状复杂，外形匹配要求较高，零件 外轮廓尺寸相对截面尺寸较大，导致加工余量大，相对刚度降低。 而且加工工艺性差，在切削力、切削热和机械振动等因素的影响 下，容易发生加工变形，不易于控制加工精度。尤其是像轿车车门 检具零件，最薄的位置只有 0.97mm，对数控加工时的变形控制相 当具有挑战性，如图 1 所示。图 1 汽车车门检具零件另外，还有很多薄壁类零件，如轿车引擎盖检具等，在数控加来稿日期：2009-04-11工结束后，装夹释放后，加工时的残余应力零件容易发生明显的 翘曲变形，如图 2 所示。可见，数控加工的变形控制和加工效率问 题就成为影响汽车整车匹配主模型检具加工的重要因素。图 2 汽车前引擎盖检具零件1 铝合金薄壁件数控加工变形定性分析铝合金薄壁件数控加工变形产生的原因可以概括为以下几 个方面：1.1 待加工材料的属性铝合金材料的屈服应力比钢的低，加工时因塑性变形易产生 积屑瘤。弹性模量低导致加工后易产生大的弹性回复，严重影响 已加工表面的粗糙度和尺寸精度。第 2 期孔 啸等：铝合金薄壁零件切削加工变形控制技术2471.2 毛坯的初始残余应力零件经切削加工后，截面尺寸和形状变化会导致内部残余应 力分布的变化，从而引起不可回复的变形。1.3 切削过程切削加工过程中工艺参数选择不合理，过大的切削力导致毛 坯产生大的弹性变形或塑性变形，从而影响尺寸精度。切削过程 产生的热应力也会与切削抗力共同作用，引起变形。1.4 工件的装夹条件由于铝合金薄壁件刚性差，加工时夹、压的弹性变形将影响 表面尺寸精度和形状/位置精度。另外，如果夹紧力与支承力的作 用点选择不当，将会引起附加应力。如果装夹力过大，铝合金薄壁 件容易被挤压变形。如果装夹力过小，又容易发生在加工中装夹 不稳，工件移动现象，严重影响加工精度。1.5 刀具路径的影响薄壁零件切削加工时，垂直进刀方式的选择会影响腹板加工 精度，水平进刀方式的选择会影响侧壁加工精度。另外，机床加工与检测精度、工装刚度、加工环境的温度、刀 具的磨损和零件冷却散热情况等对薄壁零件的切削加工精度也 有一定的影响。2 铝合金薄壁件铣削加工变形在材料牌号、装夹条件和加工路径确定的情况下，铝合金薄 壁件的加工变形主要是由铣削力引起。以整车匹配主模型之典型 零件引擎盖为实例，分析在铣削力作用下的加工变形。在引擎盖 的加工过程中，立铣刀轴向（Z 向）的铣削力是产生弹性变形的原 因，而弹性变形是产生让刀现象并导致加工误差的原因。因此，采 用有限元分析的主要目的是确定在铣削力作用下工件的变形量， 从而判断铣削力是否过大。另外，通过分析还可以判断增设的支撑点位置是否合适，从 而有效地减小刚性差的部位的变形。最后，通过多个工况下的定 量比较，判断哪些位置最容易发生变形，为实际的加工工艺提供 依据。利用 MSC/Nastran 软件，对某铝合金引擎盖加工的具体工况 进行分析。根据切削力的计算方法，当加工引擎盖尖角的地方时， 如图 3 所示。在一定的切削工艺参数条件下，Z 向铣削力 F为 0.06KN，该位置 Z 向的最大弹性变形为 0.4049mm，如图 4 所示。 而公差要求是 0.05mm，此时弹性变形超差，说明切削力太大了。F图 3 某工况的铣削位置示意图考虑到上述工况中工件的弹性变形主要是由于刚性差而产 生的，可以在刚性差的位置增加支撑点，在有限元模型中就是在 特定位置施加零位移约束。在此工况下，此时，尖角区域的最大弹性变形只有 0.027mm，符合 0.05mm 公差的要求，如图 5 所示。因 此，放置支撑块的设计方法既可以保证生产效率，又保证生产质 量，是解决薄壁铝合金变形的有效方法。Inc:0Time:0.000e+003.774e-003-3.709e-002-7.796e-002-1.188e-001-1.597e-001-2.006e-001-2.414e-001-2.823e-001-3.232e-001-3.640e-001-4.049e-001ZXY图 4 某工况的局部变形1.098e-0027.218e-0023.458e-003-3.033e-004-4.064e-003-7.825e-003-1.159e-002-1.535e-002-1.911e-002-2.287e-002-2.663e-002图 5 引擎盖检具在有支撑块情况下的变形分布3 铣削工艺对加工变形的影响及策略3.1 工艺桩的选择与定位许多铝合金薄壁件为不规则的几何体，在加工过程中无法放 平，因此需要独立设计的工艺桩加以支撑。工艺桩在加工过程中 也会因间接受力而发生变形，一般不能作为基准。如果铝合金零 件的上下两侧都需要加工，如车门和引擎盖等，工艺桩必须上下 贯穿，如图 6 所示。工艺桩的具体位置也可以通过有限元分析的 方法确定，此处不再赘述。图 6 铝合金主模型引擎盖辅助工艺桩示意图3.2 加工基准的选择铝合金铣削加工时通常采用球形基准作为参考，只要在合 适部位定位，就能够实现 X 轴、Y 轴、Z 轴三个方向上的定位。除 了校正的基准以外，辅助的工艺基准也是必不可少的。因为许 多零件在加工时涉及多工位加工，若工件放置不稳，加工精度难 以保证。大型铝合金零件在铣削加工时一般采用“2x/2y/4z”基准法， 其原理是：在 X、Y 方向上设两个基准，每个基准设计两个基准 块。工作时以相距较远的两个基准块作为加工基准，而相距较近 的一个基准作为辅助校核基准，这两个基准块的直线度要求不大248机械设计与制造 No.2Feb.2010于 0.01mm。高速加工的主要步骤有：以去除余量为目的的粗加工、残留 粗加工，以及以获取高质量加工表面为目的的半精加工和精加 工。在每一步粗加工或半精加工结束时，都要松开工艺桩上的固 定螺丝，铣平工艺桩。这是因为松开工艺桩的固定螺丝后，工件会 由于残余应力的释放而发生变形，作为基准的工艺桩也会发生变 形。为了保证基准面的准确度，在每一步加工结束后都要通过释 放应力和铣平工艺桩的操作。3.3 铣刀的选用刀具技术是实现铝合金高速加工的前提和保证，首先应该根 据材料在高速条件下的加工机理特性选择合适的刀具材料，然后 根据具体的切削加工工艺和刀具材料自身特性设计适合的刀具 几何结构和参数。高速切削铝合金所用的刀具材料主要有金刚石 刀具、涂层刀具、硬质合金刀具等。高速切削降低加工表面粗糙度 的优点在铝合金加工中表现的特别明显。对于铝合金半精加工及精加工的铣削刀具材料，PCD 是最 佳的选择，但价格过于昂贵，在加工精度要求不是特别高的情况 下，使用 PCD 刀具不经济。在汽车功能主模型检具的加工中，硬 质合金材料的刀具是比较理想的选择。3.4 切削液的选用切削液对减少刀具磨损、改善加工表面质量和提高生产效率 都有非常重要的作用。粗加工时，由于铣刀直径和铣削用量较大， 产生大量的切削热，容易导致高速钢刀具迅速磨损。这时要求降 低切削温度，应该选用冷却性能为主的切削液，如离子型切削液 或（35）%乳化液。如果采用硬质合金刀具铣削铝合金，由于硬质合金刀具耐热 性好，一般可以不用切削液；如果要用，必须连续地、充分地浇注， 以免冷热不均，产生很大的热应力而导致裂纹，损坏刀具。精加工 时，切削液主要作用是减小工件表面粗糙度和提高可加工精度。 加工铝合金材料时，主要要求达到较小的表面粗糙度，可以选用 离子型切削液或（1012）%乳化液。铣削过程中采用适当的切削液可以降低铣削力，铣削过程中 所消耗的能量主要用于克服金属的变形功耗、被加工材料与切屑 之间的摩擦功耗。实践证明，所用切削液的润滑性能越高，切削力的降低越为 显著。例如，当以切削速度 v40m/min 加工钢时，用矿物油作切削 液可以使主切削力减小（1215）%，采用植物油则可以减小（20 25）%。3.5 CAM 编程技术CAM 编程是数控加工准备阶段的主要工作，编程的质量对 缩短制造周期和保证加工质量有决定性的作用。汽车功能主模型 零件的半精加工和精加工可采用固定轴轮廓铣，刀具轴始终为一 固定方向。对于需要刀具在移动过程中不断改变方向的情况，如 加工汽车玻璃检具的侧面轮廓，则需要采用可变轴轮廓铣，即多 轴铣削加工。以铝合金引擎盖零件的加工为例，该零件的正面加工要求技术很高，对于上面的孔，刀具不能直接空走跳过，否则刀轨会 在孔边缘下沉形成圆角。为了使刀轨平顺，可在孔上生成与边 界实体等曲率过渡曲面，使得刀轨在引擎盖表面和过渡表面上 连续形成，保证孔边缘的成形质量。加工方法采用定轴轮廓铣， 驱动方法为曲面驱动。曲面驱动的优点是不会发生过切现象， 刀轨非常平顺。引擎盖边缘技术要求也很高，也需要刀轨平顺，尽量减少波 动。引擎盖正面的大块的曲面与边缘部分应该分开独自形成刀 轨，以使在边缘刀具轨迹平顺变化。零件上一些前面刀具加工 不到的区域，如曲率半径较小的内圆角，需要使用清根切削驱动 方式。3.6 特殊形状的分型问题汽车功能主模型的一些零件形状较为复杂，在加工时应该采 取划分分型面处理。由于功能主模型检具零件中大件零件多数不 能单工位加工到位，对零件的分型需考虑以下原则：分型处的隐 蔽性，分型面的一贯性，分型面的区域性和分型面的易加工性。4 结论结合汽车功能主模型中铝合金薄壁件的加工，归纳了如何采 用有限元技术预测和控制加工变形，并系统分析加工基准和工艺 桩的选择、铣刀和冷却液的选择、CAM 编程和特殊形状的分型问 题等方面对加工变形的控制技术。上述技术对其他领域的加工变 形控制也有很强的指导意义。参考文献1 王立涛，柯映林，黄志刚. 航空铝合金 7050-T7451 铣削力模型的实验研究J. 中国机械工程，2003，14（19）：16841686 2 何勇强，曹岩. 基于薄壁件铣削力模型的研究J. 机械工程师，2007（10）：463 梁清香，张根全. 有限元与 MARC 实现M. 北京：机械工业出版社，20034 敖志强. 航空薄壁件铣削加工变形分析与试验研究D：硕士学位论文. 西安：西北工业大学，2006：255 张志平. 铝合金薄壁件高速铣削加工工艺优化D：硕士学位论文. 吉林： 吉林大学，2005：9106 翁世修，吴振华. 机械制造技术基础M. 上海：上海交通大学出版社，1999：60757 陈日曜. 金属切削原理M. 北京：机械工业出版社，20028 艾兴. 高速切削加工技术M. 北京：国防工业出版社，20039 李铭. 关于汽车主模型检具制造工艺问题的讨论J. 模具技术，2006（6）：424410 Sridher kota.Virtual Prototyping and Motion Simulation with ADAMSJ. 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