鋁合金薄壁弧形板的加工制造

魏 星，槐勝豐

(中國電子科技集團公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

鋁合金薄壁弧形板的加工制造

魏 星，槐勝豐

(中國電子科技集團公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

某鋁材質(zhì)天線基座零件整體采用弧形結(jié)構(gòu)。由于尺寸較大，1～2 mm薄壁弧面占比較大，加工去除率很高，因此加工過程中弱剛性及變形等因素都將影響零件整體的尺寸精度和形位公差。文中通過對該零件加工工藝的分析，采用了整體變形控制工藝，能夠有效保證零件相關(guān)尺寸精度和形位公差，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

薄壁；弱剛性；殘余應(yīng)力；變形

引 言

在國防制造領(lǐng)域，鋁合金材質(zhì)因其密度低、強度高、耐腐蝕性優(yōu)良、可加工性好、價格低廉等優(yōu)點在電子類產(chǎn)品中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。但有些形狀較復(fù)雜的薄壁弧形精密零件，因其壁厚較薄、剛性差、在加工中易受力變形、受熱變形等缺陷，零件的尺寸精度和形位公差很難保證，成品率較低。因此，形狀復(fù)雜的鋁合金薄壁弧形零件的加工變形問題一直影響生產(chǎn)的順利進行。為解決此類零件加工過程中變形的技術(shù)難題，降低制造成本，確保產(chǎn)品質(zhì)量，本文對某鋁合金薄壁弧形板的加工制造進行了工藝研究和試驗，采用了整體變形控制工藝，并在實際加工中驗證了這種整體變形控制工藝，能夠很好地控制該類零件的變形，有效地解決了此類零件加工過程中存在的技術(shù)問題。

1 結(jié)構(gòu)工藝分析

某天線基座零件弧形板材質(zhì)為鋁合金5A05，整體采用弧形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為95 mm × 130 mm × 330 mm，兩側(cè)最薄壁厚1 mm，如圖1所示。零件本身包含一些孔，2條加強筋上的12個大孔為減輕孔，弧面上包含7組插座安裝孔。經(jīng)測算分析，弧形面1 mm厚度弧面占比為25%，2 mm厚度弧面占比為42%，即1～2 mm厚度薄面占總弧面的三分之二。

圖1 弧形板結(jié)構(gòu)示意圖

由于該弧形板零件的結(jié)構(gòu)特殊性，須采用板料或棒料進行整體加工。采用拼接方式雖然可以節(jié)約大量材料，但難以保證零件因配合因素所造成的整體尺寸精度和形位公差。

在鋁合金薄壁弧形板的精密加工中，最關(guān)鍵的是要防止零件在切削力和裝夾力等因素共同作用下發(fā)生的切削加工和受熱變形。該弧形板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在一毛坯料中完成90%以上的材料去除率后才能成形，同時需要完成一些徑向、周向、斜向孔的加工。所以不僅加工工序流程復(fù)雜，而且加工的工藝性較差。由于加工過程的先后，存在不對稱的加工部位和不均勻的加工應(yīng)力，存在工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的重新分布和不均勻釋放，因此其加工變形極易發(fā)生，變形量也更大。針對該問題，在加工過程中應(yīng)考慮釋放應(yīng)力和均勻分布應(yīng)力以控制零件的加工變形，無論是在不形成特征尺寸的粗加工過程中還是在控制尺寸精度的精加工過程中，都把變形控制作為零件加工的重要內(nèi)容進行分析和考慮，從而達到整體控制加工變形的效果?？偠灾刂萍庸ぷ冃问潜ＷC零件加工精度的首要因素。因此，在加工過程中需留切削余量，增設(shè)去應(yīng)力的時效熱處理工序，及時釋放因加工所積聚的殘余應(yīng)力，待殘余應(yīng)力釋放后再完成后續(xù)的加工。

2 加工工藝路線

該弧形板零件在加工過程中形成的加工變形主要是由于殘余應(yīng)力釋放造成的，特別是在大去除率的加工過程中，如果不能很好地處理殘余應(yīng)力釋放的問題，就容易造成零件加工過程中及加工后的大變形，從而使尺寸超差或者產(chǎn)品不滿足要求而報廢。

本文結(jié)合零件的特點，制定了相應(yīng)的控制零件加工變形的加工工藝路線。工藝流程包括大余量開粗加工、定位面精加工、粗加工、時效處理、在線余量測量和精加工等，如圖2所示。大余量開粗加工可以有效地釋放毛坯的殘余應(yīng)力，該工序不形成特征尺寸，主要是通過大余量的材料去除釋放毛坯殘余應(yīng)力，是控制變形的有效工序。定位面精加工、粗加工和時效處理主要是釋放上道工序的殘余應(yīng)力，這一系列的加工過程可以形成余量分布均勻的毛坯，加之時效處理，使加工變形更易得到控制。利用數(shù)控設(shè)備的在線測量技術(shù)，可以精確地確定工件在粗加工和時效處理后余量的變化情況，從而調(diào)整加工工藝，以保證特征尺寸的精度，為后續(xù)的精加工做準備。精加工將形成零件最終的特征尺寸。

圖2 弧形板整體變形控制工藝流程

3 加工過程的實施

弧形板整體變形控制工藝流程是在綜合考慮零件從毛坯到最終特征尺寸形成各個階段的基礎(chǔ)上制定的。該流程的優(yōu)化經(jīng)過了多次工藝試驗，包括切削加工工藝改進試驗、專用工裝的設(shè)計及試用試驗、去應(yīng)力試驗等。在參閱文獻[3]和[4]的基礎(chǔ)上，為弧形板零件的加工提供了有效的解決方案。根據(jù)這些試驗的摸索，形成了下面的弧形板零件的加工實施過程。

3.1 優(yōu)化工藝設(shè)計

弧形板的加工主要集中在銑削加工方面，需合理安排加工流程，避免因多重因素造成工件變形而影響到后續(xù)加工的完成?？紤]到弧面曲線的加工，銑削(包括孔的加工)采用五軸聯(lián)動加工中心，以保證各加工部位的尺寸和位置精度。切削加工時必須選擇合理的切削量和使用冷卻潤滑，同時配以專用夾具，以保證零件批量生產(chǎn)的一致性、互換性。安排去應(yīng)力的時效處理，以減少殘余應(yīng)力引起的變形。

3.2 加工面的工藝路線安排

工藝設(shè)計時，工藝路線的合理安排是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響到零件的最終質(zhì)量。該弧形板零件內(nèi)腔形狀復(fù)雜，臺階多，截面積形狀尺寸變化大，加工中殘余應(yīng)力的控制將直接影響到零件的加工過程。根據(jù)此零件加工余量大、內(nèi)腔形狀復(fù)雜的特點，采用先加工弧形面的內(nèi)凹面，再加工外弧面，并在精加工前留余量進行時效處理，盡可能地將變形控制在粗加工階段，以消除殘余應(yīng)力，再完成后續(xù)的精加工，形成最終的特征尺寸。內(nèi)弧面的加工具體如圖3、圖4及圖5所示。最后完成外弧面的加工。

圖3 第1面加工

圖4 第2面加工

圖5 第3面加工

3.3 定位裝夾方式的選擇

該弧形板零件毛坯為Φ170 mm × 340 mm棒料加工成長方料，所以內(nèi)弧面3個部分的加工工件易于裝夾，加工也就易于實現(xiàn)。外弧面的加工需在圖5第3面(中間凹面)加工中配制一內(nèi)襯的芯塊夾具，在便于裝夾的同時，增加了零件整體的剛性?？紤]到盡量減少加工外弧面時可能引起的變形對加工過程的影響，應(yīng)在圖5第3面的加工中對該中間凹面的寬度及與之相配的芯塊夾具之間的配合尺寸進行嚴格控制。

3.4 外弧面的加工

該零件加工的難點在于外弧面的加工，外弧面的加工是建立在內(nèi)弧面加工完成的基礎(chǔ)上的，此時零件的整體剛性出現(xiàn)明顯的下降。對某局部結(jié)構(gòu)進行加工過程的等效分析發(fā)現(xiàn)，單向的加工容易造成零件應(yīng)力“堆積”而引起變形積聚。因此對加工的順序進行了調(diào)整安排。實踐表明，采用往復(fù)45°斜向加工的方式能夠很好地均化應(yīng)力而減少變形，其效果是非常明顯的。因此針對此零件，制定精加工工藝時，采用往復(fù)45°斜向加工的方式，可以有效地控制零件的變形，如圖6所示。

圖6 外弧面45°斜向加工

外弧面加工的相關(guān)程序如下：

0 BEGIN PGM 1111 MM 文件名1111 單位mm

1 BLK FORM 0.1 Z X-165 Y-65 Z-50 定義模擬塊

2 BLK FORM 0.2 X+165 Y+65 Z+0

4 TOOL CALL 4 Z S18000;BALL-D10-L40

調(diào)用刀具及信息

5 M6 換刀

6 L X-142.415 Y-72.085 Z+50 F5000 M13

初始位置及安全平面

7 L Z-50.751 F5000 下刀

8 L Z-52.751 F4000 開始加工

?

1119 L X-141.75 Y-71.634 Z-52.603

斜向45°沿面加工(中段部分)

1110 L X-141.142 Y-71.157 Z-52.337

1111 L X-140.608 Y-70.667 Z-51.96

1112 L X-140.44 Y-70.499 Z-51.813

1113 L X-137.737 Y-67.796 Z-49.523

1114 L X-135.035 Y-65.093 Z-47.312

1115 L X-134.007 Y-64.066 Z-46.496

1116 L X-132.332 Y-62.391 Z-45.172

1117 L X-130.472 Y-60.531 Z-43.741

1118 L X-129.629 Y-59.688 Z-43.101

1119 L X-126.927 Y-56.986 Z-41.097

1120 L X-125.169 Y-55.227 Z-39.827

1121 L X-123.401 Y-53.46 Z-38.581

1122 L X-121.633 Y-51.692 Z-37.353

1123 L X-118.819 Y-48.878 Z-35.46

1124 L X-116.33 Y-46.389 Z-33.835

?

119956 L X+0.801 Y+70.743 Z+0.361

45°沿面加工結(jié)束

119957 L Z300 F15000 抬刀

119958 X0 Y300M2 加工結(jié)束

119959 END PGM 1111 MM 文件結(jié)束

3.5 合理選擇刀具和切削用量

在切削過程中，通過分配切削余量，合理選擇刀具角度和切削用量，來降低切削過程中產(chǎn)生的熱量，減少加工過程的熱變形現(xiàn)象。

3.6 消除殘余應(yīng)力的熱處理

時效熱處理可以有效地消除零件加工過程中所積聚的殘余內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)的加工創(chuàng)造有利條件。

4 加工變形控制效果

結(jié)合工程實踐，對鋁合金薄壁弧形板零件加工過程中存在的變形問題進行了分析和實踐，提出了一套加工變形整體控制工藝方法?？傮w思路是把變形控制貫穿于整個加工工藝過程，從工藝編程到現(xiàn)場加工控制，全過程有針對性地調(diào)整工藝方法，并通過在線測量等技術(shù)檢測加工結(jié)果，分析加工的變形量并反饋給加工工藝，從而形成加工閉環(huán)系統(tǒng)。

全過程加工變形控制的思路同樣也適合于尺寸更大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長、造價昂貴的結(jié)構(gòu)件的加工，它直接決定加工結(jié)果。實踐表明，應(yīng)用整體加工變形控制的工藝技術(shù)，變形問題得到了很好的解決，零件整體加工精度達到0.2 mm左右，滿足了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合鋁合金薄壁弧形板零件加工變形的控制技術(shù)，從整體上考慮零件加工變形控制，從毛坯處理、粗加工到精加工，采取合理措施控制零件變形，保證零件的加工精度。全過程加工變形控制技術(shù)全面考慮了零件加工變形控制的每一道工序，這種加工變形的控制方法具有很好的推廣應(yīng)用價值，在其他大型結(jié)構(gòu)件的加工中，這種控制方法能保證零件的加工精度和性能。

[1] 林勝. 鋁合金高速切削技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2004(6): 61- 66.

[2] 王金鳳. 薄壁鋁合金件的高速切削工藝研究[J].制造技術(shù)與機床，2006(10): 21-24.

[3] 邵子?xùn)|，孫杰，賈秀杰. 立銑刀高速加工鋁合金銑削力試驗研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2007(8):71-73.

[4] 李子君. 高速加工切削參數(shù)對零件表面質(zhì)量影響的工藝分析[J]. 機械制造，2008(3):38-40.

魏 星(1979-)，男，工程師，主要從事電子產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計工作。

槐勝豐(1981-)，男，高級工，主要從事數(shù)控加工及相關(guān)技術(shù)研究。

Process and Manufacutre of Aluminum Alloy Thin Wall Curved Plate

WEI Xing，HUAI Sheng-feng

(The36thResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033,China)

A certain antenna pedestal component is made from aluminum and adopts an overall curved structure. It has large size and a very high removal rate in processing. And much of its thin walls is 1～2 mm thin. Therefore factors such as weak rigidity and distortion will impact the overall size accuracy and geometric tolerance of the component. After processing technique analysis, the overall distortion control technique is adopted, which can effectively ensure the size accuracy, geometric tolerance and product quality.

thin wall；weak rigidity；residual stress；distortion

2013-11-29

TN820.8+2

A

1008-5300(2014)01-0040-04