设计师内部笔记大公开之铝的加工工艺

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铝材是有色金属中使用量最大、应用面最广的金属材料，并且其应用范围还在不断扩大之中。运用铝材生产的铝制品更是种类繁多，据统计已超过70多万种，从建筑装璜业到交通运输业和航空航天等各行各业都有不同的需求。今天就给大家介绍一下铝制品的加工工艺以及如何避免加工变形。
铝的优越性和特点如下：
1、密度低。铝的密度约为2.7g/cm3。它的密度只是铁或铜的1/3。2、塑性高。铝的延展性好，可以通过挤压、拉伸等压力加工手段制成各种用品。3、耐腐蚀。铝是一个负电性很强的金属，在自然条件或阳极氧化下表面会生成保护性的氧化膜，具有比钢铁好得多的耐腐蚀性。4、易强化。纯铝的强度并不高，但通过阳极氧化后可提高其强度。5、易表面处理。表面处理可以进一步提高或改变铝的表面性能。铝阳极氧化工艺相当成熟，操作稳定，在铝制品加工过程中已经广泛应用。6、导电好，易回收。
铝制品的加工工艺
铝制品的冲制
1、冷冲使用材料铝粒。利用挤压机台和模具一次成型，适合柱状形产品或拉伸工艺难做到的产品形状，如椭圆、方形、长方形产品。（如图1机台、图2铝粒、图3制品）所使用机台的吨位与产品截面积有关，上模冲头和下模钨钢间隙即为产品的壁厚，上模冲头和下模钨钢压合完成时到下死点的垂直间隙即为产品的顶厚。（如图4）

优点：开模周期较短，开发成本相对拉伸模具较低。缺点：生产工序较长，制程中产品尺寸波动较大，人工成本高。
2、拉伸使用材料铝皮。利用连续模机台和模具进行多次变形使之达到外形的需求，适合非柱状体（铝材有弯曲的产品）。（如图5机台、图6模具、图7制品）

优点：较复杂和多次变形产品在生产制程中尺寸控制稳定，产品表面较光洁。缺点：模具成本高、开发周期相对较长，对机台的选用和精度要求高。

铝制品的表面处理

1、喷沙（喷丸）利用高速砂流的冲击作用清理和粗化金属表面的过程。

这种方法的铝件表面处理能够使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。该工艺我们经常在苹果公司的各类产品中看到。
2、抛光

利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光工艺主要分为：机械抛光、化学抛光、电解抛光。铝件采用机械抛光+电解抛光后能接近不锈钢镜面效果，该工艺，给人以高档简约、时尚未来的感觉。
3、拉丝

金属拉丝是反复用砂纸将铝板刮出线条的制造过程。拉丝可分为直纹拉丝、乱纹拉丝、旋纹拉丝、螺纹拉丝。金属拉丝工艺，可以清晰显现每一根细微丝痕，从而使金属哑光中泛出细密的发丝光泽，产品兼备时尚和科技感。
4、高光切削
采用精雕机将钻石刀加固在高速旋转（一般转速为20000转/分）的精雕机主轴上去切削零件，在产品表面产生局部的高亮区域。切削高光的亮度受铣削钻头速度的影响，钻头速度越快切削的高光越亮，反之则越暗并容易产生刀纹。高光高光切削在手机的运用中特别多，如iphone5，近年来部分高端电视机金属边框采用了高光铣削工艺，加之阳极氧化及拉丝工艺使得电视机整体充满了时尚感与科技的锐利感。
5、阳极氧化

阳极氧化是指金属或合金的电化学氧化，铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用下,在铝制品(阳极)上形成一层氧化膜的过程。阳极氧化不但可以解决铝表面硬度、耐磨损性等方面的缺陷，更能延长铝的使用寿命并增强美观度，已成为铝表面处理不可缺少的一环，是目前应用最广且非常成功的工艺。
6、双色阳极

双色阳极是指在一个产品上进行阳极氧化并赋予特定区域不同的颜色。双色阳极氧化工艺在电视机行业较少应用，因为工艺复杂，成本高；但通过双色之间的对比，更能体现出产品的高端、独特外观。
【减少铝加工变形的工艺措施和操作技巧】
铝件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。

减少加工变形的工艺措施

1、降低毛培内应力
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。
①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。②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。③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。④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。①减少铣刀齿数，加大容屑空间。由于铝件材料塑性较大，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。②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。③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件工件，可以采用以下的夹装方法，以减少变形：①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。
②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。

减少加工变形的操作技巧

铝件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，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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