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(yè)制造中應(yīng)用最為廣泛的有色金屬材料，薄壁鋁合金零件因其質(zhì)量輕、易成型、結(jié)構(gòu)緊湊和屏蔽性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信和汽車行業(yè)等領(lǐng)域。該文針對(duì)數(shù)控銑切削成型的薄壁鋁合金零件，從工藝方案及工序設(shè)計(jì)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(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不能重合產(chǎn)生的誤差，提高零件的加工精度（尺寸公差和形位公差）。

關(guān)鍵詞：薄壁鋁合金零件 數(shù)控銑加工 工藝方案 加工精度

中圖分類號(hào)：TG751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0097-03

鋁合金具有密度小、成本較低、內(nèi)應(yīng)力均勻、散熱性能良好、不易腐蝕等特點(diǎn)，因此鋁合金零件被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是電子行業(yè)及航空航天行業(yè)。鋁合金零件的成型方式一般分為鈑金成型、機(jī)加工成型和模壓（鑄造或鍛造）成型，其中，機(jī)加工成型的工藝方法更易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式復(fù)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(yè)及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用，且結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，精度要求越來越高，而且產(chǎn)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(chǎn)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(duì)非回轉(zhuǎn)體類的薄壁鋁合金零件（以下簡(jiǎn)稱薄壁鋁合金零件）的切削成型工藝進(jìn)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(fā)生變形，滿足各項(xiàng)精度高的技術(shù)要求，成為了產(chǎn)品能否滿足性能要求的關(guān)鍵工藝課題。

1 加工設(shè)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(dá)不到技術(shù)要求，薄壁處易出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，相對(duì)較厚的內(nèi)框面壁厚及平面度也達(dá)不到技術(shù)要求，特別在切削加工過程中，易產(chǎn)生翹曲變形。若零件復(fù)雜程度高，普通銑床加工難度會(huì)更大，甚至相當(dāng)困難，效率大大降低，加工設(shè)備的工藝性差。

針對(duì)薄壁鋁合金零件，尤其是復(fù)雜薄壁鋁合金零件，一般選擇數(shù)控加工中心。它加工適應(yīng)性強(qiáng)、多軸聯(lián)動(dòng)，工藝人員基于零件，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)出最優(yōu)工藝方案，通過數(shù)字化編程，設(shè)置合理的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削量、插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償?shù)葏?shù)，可加工出輪廓形狀特別復(fù)雜或某些特殊的難以控制尺寸的零件，如用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)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(shè)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(shù)控加工中心重復(fù)定位精度高；通過合理的工序及工步設(shè)計(jì)，數(shù)控加工中心可以實(shí)現(xiàn)薄壁鋁合金零件的切削成型，并且滿足設(shè)計(jì)要求。

2 鋁合金材料的工藝性

金屬材料工藝性能的優(yōu)劣，直接影響其工藝過程的繁簡(jiǎn)、難易程度，工藝人員在進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，需要充分考慮材料特性，合理選擇刀具、加工參數(shù)等，否則會(huì)影響金屬制品的加工質(zhì)量。

鋁合金材料的工藝特性中，導(dǎo)熱系數(shù)較高、易產(chǎn)生加工變形問題，特別是復(fù)雜薄壁鋁合金零件，切屑量較大、形狀復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致零件失去應(yīng)有的加工精度。針對(duì)薄壁鋁合金零件銑削成型工藝，在滿足產(chǎn)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(chǎn)品成型工藝的選擇

大多數(shù)產(chǎn)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(duì)薄壁鋁合金零件，特別是復(fù)雜薄壁鋁合金零件，主要成型工藝一般選擇數(shù)控加工中心銑削成型，再統(tǒng)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(shè)計(jì)出最優(yōu)化的工藝路線，保證零件的技術(shù)要求。整個(gè)加工實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)控加工中心的銑削加工是零件滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵過程。

4 薄壁鋁合金零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析

4.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

復(fù)雜鋁合金薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)要素多和壁薄等特點(diǎn)，通常含有如下幾類結(jié)構(gòu)要素：薄壁厚度不一、立面凸臺(tái)、立面凹槽、端面環(huán)槽、底面凸臺(tái)與環(huán)槽等，且工件多面均含有不同結(jié)構(gòu)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(guān)注的是變形問題，內(nèi)應(yīng)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(shè)計(jì)避免，有些變形無法完全消除?；诹慵δ埽瑢⒉豢杀苊獾淖冃慰刂圃诜枪δ苄詤^(qū)域內(nèi)。

4.3 變形問題的解決途徑

第一，分析零件的技術(shù)要求（尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等），確定工位及加工內(nèi)容；為保證最終的技術(shù)狀態(tài)，是否增加工藝輔助工序，如工序間的熱處理工藝以釋放應(yīng)力等；第二，合理安排工序、細(xì)化工步；第三，統(tǒng)籌各設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、形位公差和表面光潔度等技術(shù)要求，合理選擇刀具、加工基準(zhǔn)及各加工參數(shù)；第四，考慮變形對(duì)重復(fù)定位的影響；第五，避免變形對(duì)關(guān)鍵尺寸的加工產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度的關(guān)鍵，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)前，應(yīng)該對(duì)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(jù)數(shù)控機(jī)床工序高度集中的特點(diǎn)，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(gè)部位后，再換下一把刀具進(jìn)行加工，以減少換刀次數(shù)和時(shí)間。

考慮到加工中存在重復(fù)定位誤差，對(duì)于同軸度要求很高的孔系，就不能采用上述原則，應(yīng)該在一次定位后，通過順序連續(xù)換刀，順序連續(xù)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(shè)計(jì)實(shí)例

6.1 結(jié)構(gòu)工藝分析

針對(duì)薄壁鋁合金零件見圖1，進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝分析：零件屬于薄壁盒體零件，主要成型過程采用數(shù)控銑加工成型，加工難度在于內(nèi)腔的銑削量較大，易產(chǎn)生加工變形，且工件每個(gè)面都需要銑削加工，考慮零件技術(shù)要求及加工的經(jīng)濟(jì)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(shù)要求，還可以降低成本。

6.2 零件的加工過程

通過該零件結(jié)構(gòu)工藝分析，制定如下工藝路線：下料—銑基準(zhǔn)—銑底面—粗銑內(nèi)腔—視工件加工情況熱處理釋放應(yīng)力—精銑內(nèi)腔—銑端面環(huán)槽—銑側(cè)面（4次）—鉗工鉆孔—表面后處理工序，其中粗銑內(nèi)腔后，根據(jù)壁厚實(shí)際情況，可以通過時(shí)效處理改善工件的變形情況，從而節(jié)省成本。

6.3 零件的工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)圖1中的薄壁盒體零件，參照?qǐng)D紙（圖2～圖4），按照上述工藝流程進(jìn)行工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)。

注意：工件上表面環(huán)形密封槽的尺寸公差，以及槽內(nèi)各面的表面粗糙度要求為Ra3.2；腔體內(nèi)部四周立面上的凸臺(tái)，要用到相應(yīng)規(guī)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(tái)階面，鉆底面各孔。

（4）翻面裝夾找正，粗銑內(nèi)腔（注意內(nèi)部異性臺(tái)階、按內(nèi)腔形狀），留2 mm精加工余量，精銑內(nèi)腔（注意臺(tái)階、通孔處臺(tái)階高度不等），注意各側(cè)面臺(tái)階，T型刀加工側(cè)面圓弧凸臺(tái)，T型刀銑航插孔處臺(tái)階（4處）；锪臺(tái)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(huán)形槽，保證平面度、粗糙度。

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

（6）翻轉(zhuǎn)3次，虎鉗裝夾找正，粗精銑側(cè)面外側(cè)的矩形臺(tái)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(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

合理有效的工藝流程能夠保證零件的加工質(zhì)量，從而保證產(chǎn)品的整體性能，尤其在航空航天、電子通信等產(chǎn)品領(lǐng)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(jī)床、夾具和熱處理等具體條件，是工藝技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，已得到了較好應(yīng)用。

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