防止鋁合金工件變形的工藝方法

白雪坤

成都劍澗優能航空設備制造有限公司 四川成都 610213

1 序言

目前，鋁合金材料大量應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中。對于鋁合金工件加工工藝的研究內容，大部分是如何控制鋁合金變形，從而進一步提高產品精度。

2 鋁合金工件的常規加工方法

（1）落料加工 又稱套料加工，即用類似銑槽的方法讓工件從毛坯上脫落下來，一般底面留量0.10～0.15mm。該加工方法常用于外形、內腔及內孔有較大的材料去除量時，可避免大余量開粗造成的因熱量及內應力集中而導致的工件最終變形。

落料加工對于防止鋁件的變形具有重要的作用，特別是配合吸盤，可以解決一大類薄壁件變形及裝夾問題，非常適用于板類零件的加工。落料加工如圖1所示。

圖1 落料加工

（2）真空吸盤法 工件的定位面吸附在吸盤上，配合壓板對工件進行加工。吸盤裝夾，配合落料加工方法，只要產品中有可以吸附的面，即使是斜面、曲面也適用。運用吸盤和落料加工，可以完成各種板類薄壁件的加工，即使板厚只有0.5mm，也可以加工。通用吸盤如圖2所示，根據產品設計的專用吸盤工裝如圖3所示。

圖2 通用吸盤

圖3 根據產品設計的專用吸盤工裝

（3）設計加強筋和工藝料頭 若產品結構強度不足以支持后序精加工，則需在開粗時留下加強筋，從而保證精加工前的裝夾強度，且去除加強筋時也不會產生多余的熱量及應力。采用該方法的工件外形尺寸不宜過大。例如：①設計加強筋便于虎鉗裝夾加工工件背面（見圖4）。②設計工藝料頭便于后序定位（見圖5）。③設計工藝料頭+加強筋便于后序定位和加工（見圖6）。

圖4 設計加強筋便于虎鉗裝夾加工工件背面

圖5 設計工藝料頭便于后序定位

圖6 設計工藝料頭+加強筋便于后序定位和加工

常規加工方法的綜合應用實例如圖7所示。工藝實施方法如下：①根據產品正反面結構分析，工件反面加工內容較少，適合作定位面（見圖7a、圖7b）。②定位面補面，便于后序吸盤裝夾（見圖7c）。③產品較薄，易變形，正面設計加強筋，可同時避免產品粗加工變形、定位面精加工變形（見圖7d）。④定位面精加工完成后，通過專用吸盤工裝裝夾，完成產品正面精加工（見圖7e、圖7f）。

圖7 常規加工方法的綜合應用實例

3 時效處理

（1）間接時效處理 即將粗加工單獨作為一道工序替代時效處理。工件在機床上加工，粗加工完成后取下工件，然后再進行精加工，中間可以不用間隔時間（如果是批量生產產品，統一開粗后再進行精加工即可，中間不用間隔時效時間)。注意：工件需進行完全開粗，整體開粗后單邊留余量0.5mm，再進行精加工。

毛坯的開粗過程就是一次間接的時效處理，而工件的二次松開與夾緊過程就是應力的間接釋放過程。該方法適用于大部分精密結構件、航空結構件的加工。

（2）時效處理 ①人工時效：對于鋁合金工件來說，大部分方法就是開粗后放置24～48h。主要針對大型零件和薄壁零件，過程較慢。②熱處理時效：相對于人工時效過程更快捷，較多應用于結構復雜的大余量開粗的封閉性零件。

兩種方法在鋁合金工件的加工上都在沿用，較多應用于去除余量大、精度要求高的產品，目的就是去除內應力，獲得穩定的組織。若產品在結構上屬于動力零件（見圖8），則多數要求做時效處理：首先，時效處理能有效地消除內應力，保證后續加工的尺寸穩定性；其次，在去除內應力的同時，可以獲得穩定的組織，以免運動過程中持續產生的熱量使原本合格的產品再次產生變形。

圖8 在結構上屬于動力零件的產品

4 防止鋁合金產品基準面變形的方法

在加工中，經常會遇到精加工前基準面已經變形，無法作為精加工基準的情況，又因為鋁合金工件的變形為彈性變形，所以無論是壓還是夾，松開之后均存在回彈現象，造成精加工后尺寸變形、超差。

鋁合金產品基準面防止變形的方法總結如下。

1）若工件只能用銑的方法，則一定要在工件主體強度足夠高的前提下加工基準面，這樣精銑的基準面才會平。

2）若工件只能用銑的方法，且工件較單薄，則同樣需要在先保證一個基準面較平的情況下，多重復幾次，即多翻幾次面，才可有效地消除變形量。不過此方法最終獲得的面依然會有一定的變形。

3）在工件自身結構允許的情況下，車也是很好的方法，而且車的面比銑的平。因為在車削過程中幾乎不產生熱量，所以在粗加工后可以不進行半精加工，而是一次性地把基準面車削到位。筆者曾經加工一個四方形產品的基準面，在銑削時總是出現變形，即使刀具的進給速度很慢，但是由于刀具與工件是面接觸，所以不可避免地會產生熱量及應力。最后改用單動卡盤夾持四方形工件，車出了合格的基準面。車削終究是刀尖點接觸，不會出現大面積的熱量及應力集中。舉例如下。

待加工產品如圖9所示。工件材料為2A12-T4，毛坯尺寸120m m×400m m×12m m，產品尺寸370m m×110m m×7m m，要求兩大面平行度為0.03mm、平面度為0.025mm。初始工藝方法：采用精度較好的加工中心，反復多次翻面銑削，去除多余余量，厚度的幾何公差無法達到要求。改進后的工藝方法：①用車床配合單動卡盤夾持，車削一面見光。②在加工中心上，見光面作定位面，在保證不傷到工件的前提下，在毛坯四周制作螺紋孔。③制作車床專用工裝，螺釘反向拉緊工件，將產品厚度車削至尺寸達到圖樣要求。

圖9 待加工產品毛坯及結構示意

5 防止鋁合金產品變形的裝夾思路

除了吸盤裝夾防止變形外，不能用吸盤裝夾的產品該如何裝夾？可以肯定地說，除了開粗時可以用虎鉗裝夾，之后的工序大多是不允許用虎鉗直接接觸工件的。因為虎鉗的力是水平的，而工件材料本身又屬于易變形材料，虎鉗的夾持力會造成工件出現彈性變形，所以工件需要合理的向下裝夾力，也就是采用類似壓板或螺釘裝夾的方式。

鋁合金工件加工工裝的設計思路其實就是要考慮裝夾力的方向，參考方法如下：①設計專用工裝+特殊壓板、螺紋反拉工裝（見圖10）。②內孔配合+小凸臺限位（見圖11）。③設計帶銷釘的軟鉗口（見圖12）。④設計帶限位的V形定位工裝（見圖13）。⑤設計與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝（見圖14）。⑥設計特殊壓板配合的工裝（見圖15）。

圖10 設計專用工裝+特殊壓板、螺紋反拉工裝

圖11 內孔配合+小凸臺限位

圖12 設計帶銷釘的軟鉗口

圖13 設計帶限位的V形定位工裝

圖14 設計與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝

圖15 設計特殊壓板配合的工裝

6 針對鑄鋁件塑形變形的工藝改進措施

鑄鋁件產品有一定的特殊性。由于是鑄件，所以產品精度要求通常很高。其外形上一些不重要的地方已經鑄造成型，在方便的同時卻存在一些缺點：①鑄件本身結構已經缺乏剛性，加工時更是缺乏裝夾剛性。②鑄件在加工過程中就是一個應力集中體，稍作加工，內應力便存在。③大部分鑄鋁件加工后的基準面和基準孔都非常容易出現塑性回彈。

圖16 為某鑄鋁件的加工過程，期間并無造成硬性變形的剛性裝夾，但是加工出來的產品尺寸精度及幾何公差都達不到要求。

圖16 某鑄鋁件的加工過程

對加工工藝進行改進如下。

1）第一次改進：加工過程中，由于孔加工完成后出現尺寸回縮現象，檢測得到回縮量為單邊0.005mm，因此精鏜尺寸單邊增加0.003mm。在對孔的鏜削方法上，增加兩次空刀。經檢測孔的公差合格，但是產品幾何公差超差。

2）第二次改進：換一種思路，對大平面及相對面分別增加一次光刀，且光刀余量為0.08mm，成功地保證了產品尺寸及幾何精度，也由此可見，鑄鋁件的塑性變形應該引起重視。

7 鋁合金材料自身易變形情況

兩種常用的鋁合金材料的機械加工性能如下。

（1）2A12鋁合金 可進行熱處理強化，常用于高端產品如軍工、航天等高負荷零件和高精密模具，其中2A12-T4是應用最多的硬鋁合金材料。2A12鋁合金的機械加工性能良好，但其最大的特點是易變形，是考驗工藝人員水平的代表性材料。

（2）6061鋁合金 強度雖然不能與2系或7系鋁合金相比，但具備優良的焊接特點和電鍍性，以及良好的抗腐蝕性，在工業上應用非常廣泛，產量已超過有色金屬材料總量的1/3，常用于強度和抗腐蝕性要求較高的各種工藝結構件，例如船舶、電車和手機殼等。6061鋁合金的機械加工性能體驗極佳，不易變形，但是一旦變形，幾乎就是報廢，校形非常困難，特殊結構的產品除外。

8 開放性硬填充和化學填充

（1）開放性硬填充（見圖17） 圖17a為開粗后的狀態，內部為工件，外部為毛坯，且為開放性毛坯。之所以不做成封閉性毛坯，是因為切斷會造成產品大量的應力集中，通過銷孔聯接塊將剛性提高，粗加工后可以取下聯接塊，釋放應力后，再次聯接進行后序精加工，以達到減少工件變形的作用。這里值得一提的是，填充的一個最重要的作用是增強剛性，另一個作用是增加產品的時效性。

圖17 開放性硬填充示意

工件內弧面加工至達到尺寸要求后，配合內弧面填充支撐工裝，加工外部余量，起到增強剛性的作用。

（2）化學填充 主要用于精加工。該方法筆者目前僅用過一次，是給一個薄壁的弧形鋁合金葉片做化學填充，同時還需要工裝的輔助。化學物質填充進已加工的弧面，隨著化學物質的凝固，對裝夾面是一種無縫隙的支撐，這樣既防止了變形，又可以避免加工中因產品過薄而產生振刀現象。該方法不是大眾化的通用方法，而是針對專用產品的特殊工藝方案。

9 鉗工校形

鉗工校形大部分針對的是板類零件，非常考驗鉗工的技能和經驗。且鉗工校形終究是機械校形，畢竟可以校形的產品至少需要一個好的機體作為前提。此外，筆者認為校形的大部分產品本身價值不會太高。鉗工校形一般分為粗加工校形和精加工后校形。技術好的鉗工對板類產品進行校形，校平精度在0.1mm左右。

10 結束語

防止鋁合金工件變形的工藝方法很多，轉變思路尤為重要。在實際加工中要抓住零件結構和材料特征去尋找突破點，采用合理的裝夾方式和切削路線，通過時效處理消除應力變形，用簡單的方法去解決復雜的問題。