薄壁鋁合金零件切削成型工藝研究

趙蓓芳++韓鑫

摘 要：鋁合金是工業制造中應用最為廣泛的有色金屬材料，薄壁鋁合金零件因其質量輕、易成型、結構緊湊和屏蔽性能好等特點，被廣泛應用于航空航天、電子通信和汽車行業等領域。該文針對數控銑切削成型的薄壁鋁合金零件，從工藝方案及工序設計的角度給出了解決的方法，從而降低零件在加工過程中的變形，避免加工基準與設計基準不能重合產生的誤差，提高零件的加工精度（尺寸公差和形位公差）。

關鍵詞：薄壁鋁合金零件 數控銑加工 工藝方案 加工精度

中圖分類號：TG751 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0097-03

鋁合金具有密度小、成本較低、內應力均勻、散熱性能良好、不易腐蝕等特點，因此鋁合金零件被廣泛應用于各行各業，尤其是電子行業及航空航天行業。鋁合金零件的成型方式一般分為鈑金成型、機加工成型和模壓（鑄造或鍛造）成型，其中，機加工成型的工藝方法更易于實現結構形式復雜而精密的零件以及單件小批量試制類零件，因而在電子行業及航空航天等領域得到了廣泛應用。

近年來，因重量的限制以及密閉性、屏蔽性、功能性等綜合要求，薄壁鋁合金零件被廣泛應用，且結構形式越來越復雜，精度要求越來越高，而且產品往往是單件試制型零件，不適于采用模壓成型工藝，又因焊接工藝的局限，鈑金成型及拼焊成型的工藝方法一般也無法滿足產品要求，因此選用整體切削成型的工藝方法。目前，薄壁鋁合金零件形式多樣，該文針對非回轉體類的薄壁鋁合金零件（以下簡稱薄壁鋁合金零件）的切削成型工藝進行研究，如何減少整體切削加工成型的薄壁零件變形或不發生變形，滿足各項精度高的技術要求，成為了產品能否滿足性能要求的關鍵工藝課題。

1 加工設備的選擇

普通銑床一般無消隙功能，在逆銑加工過程中，易形成積屑瘤增大切削力，又因夾緊力影響，表面粗糙度達不到技術要求，薄壁處易出現扭曲變形現象，相對較厚的內框面壁厚及平面度也達不到技術要求，特別在切削加工過程中，易產生翹曲變形。若零件復雜程度高，普通銑床加工難度會更大，甚至相當困難，效率大大降低，加工設備的工藝性差。

針對薄壁鋁合金零件，尤其是復雜薄壁鋁合金零件，一般選擇數控加工中心。它加工適應性強、多軸聯動，工藝人員基于零件，統籌設計出最優工藝方案，通過數字化編程，設置合理的主軸轉速、進給量、切削量、插補、刀具補償等參數，可加工出輪廓形狀特別復雜或某些特殊的難以控制尺寸的零件，如用數學模型描述的復雜曲線零件以及三維空間曲面類零件，且一般不需要使用專用夾具等專用工藝設備，加工精度和效率高；能在一次裝夾后，完成多道工序（銑削、鏜削、鉆削和攻螺紋）的加工；若零件需要變換工位，數控加工中心重復定位精度高；通過合理的工序及工步設計，數控加工中心可以實現薄壁鋁合金零件的切削成型，并且滿足設計要求。

2 鋁合金材料的工藝性

金屬材料工藝性能的優劣，直接影響其工藝過程的繁簡、難易程度，工藝人員在進行數控編程時，需要充分考慮材料特性，合理選擇刀具、加工參數等，否則會影響金屬制品的加工質量。

鋁合金材料的工藝特性中，導熱系數較高、易產生加工變形問題，特別是復雜薄壁鋁合金零件，切屑量較大、形狀復雜，會導致零件失去應有的加工精度。針對薄壁鋁合金零件銑削成型工藝，在滿足產品零件性能的前提下，選擇加工工藝性能較好的2系鋁合金，如2A12 H112。

3 產品成型工藝的選擇

大多數產品的成型不僅僅采用一種工藝方法，合理安排各種工序，才能解決加工變形及提高精度等問題。針對薄壁鋁合金零件，特別是復雜薄壁鋁合金零件，主要成型工藝一般選擇數控加工中心銑削成型，再統籌鉗工、熱處理及表面處理等工序，尤其是熱處理工序與銑加工工序的交叉安排，設計出最優化的工藝路線，保證零件的技術要求。整個加工實現過程中，數控加工中心的銑削加工是零件滿足圖紙設計要求的關鍵過程。

4 薄壁鋁合金零件的結構工藝性分析

4.1 零件結構特點

復雜鋁合金薄壁零件的結構特點是結構要素多和壁薄等特點，通常含有如下幾類結構要素：薄壁厚度不一、立面凸臺、立面凹槽、端面環槽、底面凸臺與環槽等，且工件多面均含有不同結構要素需加工。

4.2 變形問題

影響薄壁鋁合金零件銑削成型，最需關注的是變形問題，內應力、切削熱和裝夾等情況，易引起工件變形。有些變形可通過合理的工藝設計避免，有些變形無法完全消除。基于零件功能，將不可避免的變形控制在非功能性區域內。

4.3 變形問題的解決途徑

第一，分析零件的技術要求（尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等），確定工位及加工內容；為保證最終的技術狀態，是否增加工藝輔助工序，如工序間的熱處理工藝以釋放應力等；第二，合理安排工序、細化工步；第三，統籌各設計基準、形位公差和表面光潔度等技術要求，合理選擇刀具、加工基準及各加工參數；第四，考慮變形對重復定位的影響；第五，避免變形對關鍵尺寸的加工產生影響。

5 銑加工工序工步的安排

合理的加工順序是保證結構設計精度的關鍵，在進行工藝設計前，應該對銑加工工步的劃分和順序做好安排。

按照先面后孔、先粗后精等基本工藝原則劃分工序工步，安排順序。

根據數控機床工序高度集中的特點，采取按所用刀具來劃分工序和工步的原則，即用同一把刀具加工完工件上所有需用該刀具加工的各個部位后，再換下一把刀具進行加工，以減少換刀次數和時間。

考慮到加工中存在重復定位誤差，對于同軸度要求很高的孔系，就不能采用上述原則，應該在一次定位后，通過順序連續換刀，順序連續加工完該同軸孔系的全部孔后，再加工其他位置的孔，以提高孔系的同軸度。

6 薄壁鋁合金零件加工工藝設計實例

6.1 結構工藝分析

針對薄壁鋁合金零件見圖1，進行結構工藝分析：零件屬于薄壁盒體零件，主要成型過程采用數控銑加工成型，加工難度在于內腔的銑削量較大，易產生加工變形，且工件每個面都需要銑削加工，考慮零件技術要求及加工的經濟性，合理安排銑加工工序工步，先加工底面（銑削量少的一面），再翻面加工型腔，再加工其余幾面，完成銑加工工序，既能保證工件的技術要求，還可以降低成本。

6.2 零件的加工過程

通過該零件結構工藝分析，制定如下工藝路線：下料—銑基準—銑底面—粗銑內腔—視工件加工情況熱處理釋放應力—精銑內腔—銑端面環槽—銑側面（4次）—鉗工鉆孔—表面后處理工序，其中粗銑內腔后，根據壁厚實際情況，可以通過時效處理改善工件的變形情況，從而節省成本。

6.3 零件的工藝設計

針對圖1中的薄壁盒體零件，參照圖紙（圖2～圖4），按照上述工藝流程進行工藝規程的設計。

注意：工件上表面環形密封槽的尺寸公差，以及槽內各面的表面粗糙度要求為Ra3.2；腔體內部四周立面上的凸臺，要用到相應規格的T型槽銑刀。

（1）下料。

（2）虎鉗裝夾找正，粗精銑外形，保證平面度、粗糙度。

（3）虎鉗裝夾找正，銑工件底部臺階面，鉆底面各孔。

（4）翻面裝夾找正，粗銑內腔（注意內部異性臺階、按內腔形狀），留2 mm精加工余量，精銑內腔（注意臺階、通孔處臺階高度不等），注意各側面臺階，T型刀加工側面圓弧凸臺，T型刀銑航插孔處臺階（4處）；锪臺階孔，鉆孔；視情況，增加熱處理工序；銑厚度到工件要求（注意形位公差），再銑環形槽，保證平面度、粗糙度。

（5）翻面裝夾找正，粗精銑側面外側的矩形臺階，锪各臺階孔，鉆銑各孔，注意孔周邊倒角。

（6）翻轉3次，虎鉗裝夾找正，粗精銑側面外側的矩形臺階，注意周邊倒角。

（7）鉗工鉆螺紋底孔。

（8）表面處理。

按照以上工藝方案（流程）加工出的零件，完全滿足設計要求。

7 結語

合理有效的工藝流程能夠保證零件的加工質量，從而保證產品的整體性能，尤其在航空航天、電子通信等產品領域更是尤為重要。薄壁鋁合金零件的銑加工工藝方案的制定綜合了材料、機床、夾具和熱處理等具體條件，是工藝技術和生產經驗的總結，已得到了較好應用。

參考文獻

[1] 梅中義.飛機鋁合金結構件數控加工變形分析與控制[J].北京航空航天大學學報，2009，35（2）：146-150.

[2] 張烘州.航空鋁合金整體結構件數控加工變形控制現狀分析[J].新視點，2012（12）：58-61.

[3] 陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，1996：1204-1205.