外形復雜的高精度鋁合金薄壁件加工工藝

高茂洋，常星星，張衛，劉洋

安徽天航機電有限公司 安徽蕪湖 241000

1 序言

鋁合金薄框結構件具有質輕、抗壓和耐蝕等特點，被廣泛應用于航空航天零備件[1-3]，以達到降低機型整體質量、提高飛行力等目的。但是由于結構件體型大，表面質量要求高，在機械加工中切削力與夾持力形成材料殘余應力，會導致零件尺寸發生變化[4-7]，難以滿足產品特性要求。目前現有的加工方法需要采用高端高精密設備，降低切削量進行多次走刀[8-10]，加工效率低且生產成本高。本文以某航空航天用外形復雜的高精度鋁合金薄壁件為例，根據零件的尺寸大小，設計帶有夾頭的毛坯，采用合理的工藝路線，將冷加工、熱處理和線切割等工序進行有效安排，避免薄壁件產生應力所導致的尺寸變化，對加工變形量進行控制。

2 加工難點

薄壁件材質為2D14高強度硬質合金，整體體積相對較大且壁較薄，尺寸精度、幾何公差等要求較高。零件的銑削加工主要涉及型腔銑與輪廓銑，通過壓板胎、組合夾具與機床工作臺配合使用將零件進行固定，零件加工后由于壓板等夾具夾持所引起的應力釋放而導致尺寸超差。最終加工的薄壁件尺寸發生變化，無法滿足航空件高精度的特性要求。

3 工藝安排

3.1 整體工藝路線

根據零件外形特征及加工難點，對工藝順序進行合理安排，其中涉及冷加工、電加工及熱處理相關知識與設備的運用。整體工藝安排如圖1所示，零件外形結構如圖2所示。

圖1 整體工藝安排

圖2 零件外形結構

根據鋁合金薄壁件的外形特征，下料時左右兩端各留有夾頭30～50mm，夾持固定兩端夾頭，采用兩刃φ16～φ20mm硬質合金刀具對毛坯進行開粗，轉速為6000～7000r/min，單邊留有3～5mm余量。粗加工后的零件進行第一次穩定化時效處理，然后采用三刃φ10～φ16mm硬質合金刀具對零件進行半精加工，夾持兩端夾頭，修正外形及內腔，單邊留有0.5～1mm余量。半精加工后的零件進行第二次穩定化時效處理，之后用壓板夾持兩端夾頭，采用三刃φ6～φ8mm硬質合金刀具對零件進行精加工，零件的外形及內腔尺寸加工成形。零件型腔及輪廓加工完成后，采用電火花線切割去除兩端夾頭，由于線切割放電加工后薄壁件與夾頭處有線切割去除痕跡，因此為了保證薄壁件整體表面質量的完整性，用細砂紙將零件線切割夾頭處進行拋光。在粗加工、半精加工與精加工時選用不同直徑的刀具，其中兩刃刀具可快速去除材料，三刃刀具可精修表面質量，保證零件銑削表面無接痕，同時兩次熱處理可將冷加工時的材料應力進行釋放，非接觸式電火花線切割加工方法可有效避免機械加工時材料的殘余應力和裝夾時材料的彈性變形所導致的尺寸變化。

3.2 熱處理

穩定化時效處理的實施至關重要。第一次穩定化時效，將粗加工后的工件放置入人工時效爐內，加熱至250～290℃，保溫2～4h后進行空冷。第二次穩定化時效，將半精加工后的工件放置入人工時效爐內，加熱至250～290℃，保溫1～2h，將零件進行熱循環處理。其中鋁合金的熱循環處理步驟為將制件置于-70～-50℃的低溫容器中保持1～2h。為了提高熱循環處理的效果，可以在液氮中冷處理，冷處理的冷卻速度對熱循環處理沒有實質性影響。制件冷處理結束后從低溫容器中取出，待形成的霜融化后，再放入加熱設備中加熱到規定溫度，或于50℃左右先烘干1～2h。如果由于工作條件限制，不能在干燥后立即加熱制件，則允許中斷不超過20h。制件加熱保溫結束后在室溫中冷卻，然后再放入低溫容器中，這里需要根據制件加工的要求選擇循環次數。

3.3 冷加工

鋁合金薄壁件在數控銑削加工時，為避免變形，將加工過程分為粗加工、半精加工及精加工3個階段。粗加工時，刀具轉速為6000～7000r/min，大轉速可以高效地去除材料，短時間形成零件整體輪廓，提高加工效率，同時在零件單邊留有3～5mm余量用于半精加工；半精加工時，刀具轉速控制在2000～2500r/min，小轉速可有效保證加工后零件表面粗糙度，同時可將加工的接刀痕進行光亮處理，進一步提高零件表面質量，并控制單邊留有0.5～1mm余量用于精加工；精加工時，適當降低刀具的轉速，控制刀具轉速為1500～1800r/min，將余量進行去除并保證表面質量。

3.4 電加工

鋁合金薄壁件型腔及輪廓加工完成后，零件的兩端留有工藝夾頭，為避免冷加工機械去除夾頭對薄壁件產生應力而導致產品變形，采用電火花線切割技術。電火花線切割加工屬于非接觸式放電加工，工具電極與工件之間不存在顯著的切削力，不會因機械變形而導致誤差產生。根據鋁合金性能，采用正極性加工方式（工件接正極，電極絲接負極），加工電流選擇3～5A，脈沖寬度選擇30～50μs，占空比為1∶7～1∶5。

電火花線切割加工后的工件與夾頭的接痕用細砂紙進行打磨，保證薄壁零件表面整體的完整性，保證零件整體滿足航空航天高精度、高性能要求。

4 結束語

本文基于鋁合金材料的難加工特性，對外形復雜的高精度薄壁零件進行工藝優化。通過冷加工、熱處理和電加工等工種的合理安排，并根據粗加工、半精加工和精加工方式選擇不同的刀具和加工方法，有效保證了零件質量及加工效率，擺脫了依賴高端機床的常規思維。經實際加工驗證，工藝路線整體布局合理，工序安排科學緊湊，不僅避免了零件機械加工尺寸變化，而且減少了工件周轉時間，提高了生產效率。

專家點評

文章以外形復雜的高精度鋁合金薄壁零件為例，根據零件的形狀和尺寸，重點優化切削方法和裝夾方式，通過增加毛坯夾頭，采用合理的工藝路線，有效安排熱處理、冷加工和線切割等工序，選擇合適的刀具和加工方法，避免了薄壁件加工應力導致的尺寸變化，為此類零件的變形量控制積累了經驗。

文章的亮點是轉變思路，另辟蹊徑，打破常規思維，繞開技術瓶頸。通過合理的工藝安排，逐步化解加工難點，在高精度鋁合金薄壁件加工中擺脫對高端機床的依賴，并根據零件外形特征，綜合運用熱處理、冷加工及電加工相關知識，通過整體布局和工藝改進，解決了復雜零件的加工變形難題。