利用時效處理控制薄壁件的變形

■昆明船舶設備研究試驗中心 （云南 650106） 王 亮■昆明高級技工學校 （云南 650218） 涂莉娟

利用時效處理控制薄壁件的變形

■昆明船舶設備研究試驗中心 （云南 650106） 王 亮
■昆明高級技工學校 （云南 650218） 涂莉娟

摘要：本文主要討論利用不同溫度與不同作用時間的組合，進行金屬的時效處理。經過此工藝方法加工的零件，加工精度相當穩定，各公差、表面粗糙度均滿足圖樣要求。

1. 零件結構

我單位自行研制的某型水下設備的機械加工生產過程中，其中有一零件為回轉體類鋁合金零件（見圖1）。此零件屬于薄壁難加工零件，該零件的變形情況尤為突出，以至于加工尺寸的報廢率較高。為此做了許多次工藝改進，主要改進項目為金屬低溫時效處理的組合關系。加工合格率由原來的15%提高到現在的90%。零件均能達到圖樣相關的精度要求。

2. 零件加工工藝分析

該零件加工的技術難點在于：

（1） 材料為7A09鋁合金，此材料硬度較高，切削加工時的切削阻力較大，相應的熱變形也會影響到零件的加工質量。

（2）此零件主要進行外圓與內孔的車削加工。由于壁厚較薄，最薄之處只有1mm。薄壁面積約占總面積的49%，因此工件的殘余應力釋放較強。由于系統剛度較差，加工變形量就會變大。

（3）在車削加工過程中，由于受到卡盤的夾緊力、車削力、

材料殘余應力和熱變形的共同作用，會同時影響零件的加工精度。

（4）此零件精加工時，需要相應的夾具進行輔助保護裝夾后，再精加工內孔各尺寸。

此零件為單件少量生產，為保證加工精度與質量，工藝與機加人員經過多次摸索試驗，不斷改進加工工藝方法，最終解決了以上技術難點，完成了生產任務。現將完善的工藝過程介紹如下。

圖1

3. 加工工藝方案的確定

（1）粗加工。具體加工方案為：利用φ60mm、7A09鋁合金棒，車削外徑為φ57.00mm，切斷后車端面保證長度為117mm，鉆4個φ5.3mm孔，孔深25mm（見圖2）。

圖2

刀具選擇肯納牌機夾車刀，刀片型號為VBGT160404HP ，刀片材質為KC5410，前角約為13°，后角為7°，主偏角為60°，刀尖圓弧為r0.4mm。

冷卻方式為切削液連續冷卻。

粗車切削參數如表1所示。

表1　粗車切削參數

由于整個加工過程中都會產生一定的加工內應力，分布于整個零件中。對于此類薄壁零件，由于內應力的存在，使得整個零件的變形情況尤為突出。因此在后續的加工之前消除內應力，是保證加工質量與尺寸精度的關鍵工序與必要措施。經過多次試驗與比較，我們總結了消除內應力的簡單方法就是低溫時效處理。具體方法為：將零件放置于加熱爐內，隨爐升溫至160℃，保溫8h后，再隨爐冷卻至室溫。為確保優良的加工質量，將時效處理分別安排在粗車后、半精車1后及半精車2后各進行一次，共3次時效處理，達到消除內應力的目的。

粗加工后的時效處理參數如表2所示。

圖3

表2　時效處理參數

（2）半精車1。將第一次時效處理完成后的零件再次進行半精車1的加工（見圖3）。此次加工的目的是在精加工前去除較多的材料，并留有一定的加工余量，同時再進行第二次時效處理，逐步消除內應力。

刀具選擇肯納牌機夾車刀，刀片型號為VBGT160404HP，刀片材質為KC5410，前角約為13°，后角為7°，主偏角為60°，刀尖圓弧為r0.4mm。冷卻方式為切削液連續冷卻。

半精車1切削參數如表3所示，時效處理參數如表2所示。

表3　半精車1切削參數

（3）半精車2。再次進行半精車2的加工，此次加工是精加工前的最后一次半精加工，加工完畢后如圖4所示。

此次加工為精加工留有均勻而且較小的加工余量，并進行兩次不同溫度和冷卻方式的低溫時效處理，以徹底消除內應力，防

止精加工時變形的發生。

根據以往的加工經驗，假如這次的時效處理方法與上兩次一樣時，零件精加工后，尺寸φ53+0.030mm、φ51+0.030mm因為內應力的存在，會導致尺寸精度達不到圖樣的要求，以致工件報廢。所以在半精車2后使用如表4所示的處理方法，進行時效處理，達到了徹底消除內應力的目的，保證了精加工后合格品的完成。

圖4

表4　半精車2后的時效處理參數表

半精車2的切削參數如表5所示。

表5　半精車2切削參數

（4）精加工。以上的半精加工、時效處理完成后，將要進行車削精加工。其加工的主要步驟為：先加工外圓φ55+0.050mm到位，然后利用輔助夾套（見圖5）。

圖5

夾持外圓部分裝夾于車床卡盤上，零件伸出夾套長35m m（見圖6）。利用百分表找正工件外圓的跳動量小于0.03mm，方可進行車削加工。同時保證2-φ53+0.030mm、2-φ51+0.030mm以及其余相關尺寸。

圖6

刀具選擇肯納牌機夾車刀，刀片型號為VBGT160404HP、刀片材質為KC5410，前角約為13°，后角為7°，主偏角為60°，刀尖圓弧為r0.4mm。

冷卻方式為切削液連續冷卻。

精車切削參數如表6所示。

表6　精車切削參數

最后車削成形，完成了所有工序的加工。在此需要注意的是，此道精加工時的主軸轉速較高，切屑為碎顆粒狀，極其容易產生大面積的飛濺。機床操作者一定要穿戴好防護衣、護目鏡等防護措施后再進行操作。

4. 結語

上述薄壁零件的加工工藝方法，經多次摸索與改進才得以實現。其關鍵在于低溫時效處理的時間點、溫度的控制措施以及冷卻方式的選擇。經過此工藝方法加工的零件，加工精度相當穩定，各公差、表面粗糙度均滿足圖樣要求。希望本文能對薄壁零件的加工提供一些思路與方法。

參考文獻：

[1] 周曉紅. 數控加工工藝與設備[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[2] 尚建偉. 數控加工工藝與編程[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

專家點評

介紹薄壁類零件加工的文章很多，多數都是從夾具和輔助支撐入手。本文的創新之處在于利用時效處理控制鋁合金薄壁零件的變形，通過三次低溫時效的時間點和溫度控制，在后續加工之前消除內應力。不同加工階段的時效處理參數表是文章的精華，對讀者有很大的幫助。

收稿日期：（20150227）