解决小铝件的数控加工中的一些问题
何文
2010年12月10日
摘要：
本文针对小铝件加工中出现的装夹、加工工序、材料的切削性能等方面的问题进行分析，通过这次解决铝加工出现的问题，得到了不少经验且收到了良好的经济效益。
关键词：小铝件 刀具 夹具 冷却液
一、前言
氧化铝在1808年在实验室利用电解还原成为铝材，于1884年即被作为建筑材料使用在美国华盛顿纪念碑尖顶上至今；纯铝的密度小（ρ=2.7g/m3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。
铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括 高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝 以及 防锈铝 等。可热处理强化型铝合金可以通过 淬火 和 时效 等热处理手段来提高机械性能，它可分为 硬铝、锻铝、超硬铝 和 特殊铝合金等。
由上可见对铝的冷加工方式用得比较多的有： 铸造、冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等；在实际的生产工作中我们也常用会遇到一些对铝合金的切
削加工如：车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等。
二、问题的出现
2008年我所属工厂为客户做小批量的产品S3GA-004，材料为铝合金，合金牌号为1100。零件的结构形式见下图（图一）:
在选用本厂常规加工方式进行加工的过程中先后出现了三个问题：
1、铝件在加工过程中容易变形；
2、没有专用夹具一次只能加工一面工作效率底下；
3、易出现粘刀现象。
三、寻找问题的原因与分析解决
基于本工件铝合金材料较软具有高度的延展性，其零件经机加工常由于内应力、切削热以及装夹的影响而产生不同程度的变形，为保证零件的成形质量和控制变形所需采取的处理的方法有：
（1）零件在铣削加工中，无论是粗铣还是精铣，都应进行对称性加工和多次翻铣，以便两面应力释放均匀一致。
（2）当零件的两面粗加工完成后，放置数小时（一般为48H）自然时效，使剩余应力得到充分的释放，再进行加工。
（3）零件单面铣切时，尽量采取小余量多走刀的办法。
（4）由于该材料具有高强度、高韧性的特性，应控制吃刀深度，切削中保证充分的冷却，以防止因切削热而引起零件变形，同时也要注意夹具的硬度。
针对目前所加工的零件情况我采取了如下措施：如零件的形状可知对称加工对其形影响不太，因为此零件（图一主视图）中间部分为一个开放式的腔体，采用一般的由内向外的等距环切加工方式却可，故不用特意去编对称加工的程序。在自然时效方面如于零件的精度要求不高所以如果在时间足够的情况下可以作自然时效处理。在单面铣时为了提高加工效率及考虑到零件精度方面要求不高，故我只在精加工时才采用采取小余量多走刀的办法。经试切，尺寸完全达到图纸要求。
由于工件太小及材料较软的因素，我根据经验判断工件变形的原因为
1、虎钳钳口相比工件来说硬太多了，较容易把工件夹坏；
2、操机人员对装夹的力度没有很好地把握。故我决定选用较软的材料去装夹工件，一般我所属工厂常有的材料有铜、铝、钢、铁等常见金属，依据工厂现有条件我决定选用铝，因为铝与铜相比价格方面比较低。
零件的安装与夹具的选择一般应遵守的原则有：
(1)当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具，以缩短生产准备时间、节省生产费用；
(2)在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单； (3)零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间； 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要开敞其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。
综上考虑我选用了二块铝合金，并将之铣成虎钳钳口以代替原有的刚质钳口，再加上批量生产方面上的考虑，一次装夹多个工件显然可以很好地提高工作效率，故在二块铝钳口上铣了四个较长的槽子，以便一次加工可以装夹多个工件，自制了一个简易夹具如下图所示：
左边的槽是用于加工图一中的主视图面，及其背面，夹得太多在尺寸方面会比较难控制，所以所开槽一次可以夹三个，右边的槽是专门用来加工侧面（即：图一中的府视图部分）的，分针点我选用在装夹中固定的内钳口的槽二侧面延长面的交点(即上图中的A、B二点)，这样方便修改，也比较稳定。经二次试加工，所得产品都可以达到图纸要求，装夹效果如下二图（图
二、图三）所示：
在加工过程中出现粘刀现象一般有以下几个原因：
1、材料的韧性太大了；
2、刀具磨损比较严重；
3、冷却得不够充分；
4、转速和进给是否给得充分。由于工厂的条件问题，我开始选用的是普通的HSS刀具，而不是铝合金专用刀具，在这些刀具有排铝屑方面相对较差一些，易造成粘铝屑，在冷却液方面我也是用通用切削液BD-G101，对以上因素分析如下：由于铝的容点较低，如果冷却方面没有做够就很容在加工过程中产生局部容化，并粘在切削的刀具上，产生积屑瘤，大大降低了工件表面的加工质量，会改变切削刃的形状并最终导致切削刃崩刃或粘刀现象。后来改用洁杰品牌的STC-X407铝合金专用切削液，在加工时也相应的加大了切削液的流量,加强了冷却效果；铝件比较软选用便宜的HSS刀具加工似乎没有什么问题，在经过仔细观察发现其实不然，白刚刀容易磨损，耐用度不高，
相比之下合金刀具、涂层硬质合金、金属陶瓷等刀具就有优势多了，拿比较常用的硬质合金刀具来说，在常温下硬度可达89—94HRA，耐热性达800—1000℃，硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5—10倍，但它的抗弯强度较低，是高速钢的1/2—1/4，冲击韧性比高速刚低数倍。由以上数据可见，就加工铝这类较软材料而言，使用合金材料刀具无论是在加工保证精度方面还是耐用度方面都是有相当的优势。在价格虽然比较贵，但就批量生产而言，由于刀具耐用度比较高，平均到每个工件的成本反而比用高速刚加工的成本低，可以说在一定程度上降低了成本且较好地保证了加工质量。考虑到质量及成本方面，在向领导提出意见后，改用了铝合金专用硬质合金刀具；由于选用了较高硬度的刀具，加工方式也应相应改变，我采用高转速快进给加工方式，在进给和转速方面由于不是高速机，一般转速我都是给到S5000左右，由于是小刀具在进给方面为F400左右，根据实际加工情况，由于操机人员自行调节。
四、问题解决所带来的成效
通过在改良夹具及更换刀具和冷却液之后，生产效率及产品的质量方面都得到的明显提高，产量由原先的40分钟左右一个，提高到25分钟左右一个，报废率也由原先的20%降底到4%。为工厂大大降低了生产成本，取得了良好的经济效益。
五、结束语
通过这次对铝件S3GA-004加工，积累了不少对铝加工方面的宝贵经验，为企业降低成本贡献了一分力量，随新国民经济的快速发展，先进的加工技术的不断出现，在科学技术飞速前进的形势下，只有努力学习新知识、认真研究新问题，不断创新，才能为今后的工作打下坚实的基础，为国家为企业做出更多的贡献。
致谢：作者在撰写本文过程中，得到了广东省国防科技高级技工学校林志强老师和广州中为职业技能培训学校陆满村老师的有益指导及宝贵意见，谨此表示感谢！
参考文献：郑峰主编，《铝与铝合金速查手册》，化学工业出版社2008年7月北京第1版第1次印刷。
二0一0年十二月十号
