張雅麗

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

由于LY12硬鋁合金經(jīng)熱處理強化后具有較高的強度，切削加工性在時效狀態(tài)下良好，耐蝕性也較好等優(yōu)點，所以比別的鋁合金得到更多的應(yīng)用。在我所生產(chǎn)的曝光系列、探針系列、劃片系列、鍵和系列等各類產(chǎn)品中，LY12硬鋁合金得到了廣泛的應(yīng)用，這其中一些零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，通常在ISO標準中達IT8級以上，并且還要求高的尺寸穩(wěn)定性，如鍵和機系列中的前導軌基座、料條框架等（如圖1所示），均為薄壁件，型腔復(fù)雜，易變形，要求精密平面的平面度≤0.02 mm，兩平行平面的平行度≤0.03 mm，兩基準面的垂直度≤0.03 mm，在正常工作環(huán)境條件下，零組件尺寸精度穩(wěn)定、設(shè)備工作可靠。如何達到設(shè)備中零件的這些精度要求，則成為工藝上的技術(shù)關(guān)鍵問題。

圖1 導軌基座、料條框架

1 影響精密零組件尺寸穩(wěn)定性因素的分析

（1）淬火后的LY12鋁合金存在著較大的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力經(jīng)自然時效后不可能得到有效的消除。鋁合金的淬火內(nèi)應(yīng)力是由于零件各部位冷卻速度不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，表層為內(nèi)應(yīng)力，心部為張應(yīng)力。不論淬火應(yīng)力如何分布，當進行切削加工時，內(nèi)應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，導致零件變形或歪曲。如果成品零件仍有殘余應(yīng)力，也會因松弛而導致變形。因此，要達到零件的尺寸穩(wěn)定，就應(yīng)盡量降低和消除淬火內(nèi)應(yīng)力。

（2）LY12鋁合金材料的相與組織狀態(tài)的不穩(wěn)定性，LY12鋁合金毛坯處于“CZ”狀態(tài)，當LY12鋁合金處于這種狀態(tài)時，雖然由于長時間的自然時效，第二相（名義成分為CuAl2）從過飽和固溶體中沉淀析出，但仍有不少銅原子未完成從過飽和α固溶體中脫溶的過程。它們在長期使用過程中還會繼續(xù)進行沉淀相的脫溶過程而引起尺寸的改變，影響零組件的尺寸穩(wěn)定性。所以，必須使LY12-CZ鋁合金在加工過程成形前盡量脫溶徹底，以保證尺寸穩(wěn)定。

（3）在機械加工過程中，由于切削力的作用，使零件本身產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，并在其表層形成很不穩(wěn)定的加工硬化層。在切削加工中，有一部分能量會積存在零件的表層中，形成具有殘余應(yīng)力的表面變質(zhì)層。在這種加工硬化層內(nèi)，材料的組織因被形變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，殘余內(nèi)應(yīng)力也較大。隨著時間的延長，這種形變了的組織會發(fā)生變化，內(nèi)應(yīng)力也要趨于松弛，從而導致零件尺寸的變化，影響尺寸穩(wěn)定性。

另外，由于鍵和機中的零件形狀復(fù)雜，就加工方法而言，是銑削加工成形，而銑削加工具有斷續(xù)切削的特點，容易產(chǎn)生沖擊和振動等現(xiàn)象。同時，這些零件又都是薄壁件、剛度差，這兩種情況更加劇了零件在加工中內(nèi)應(yīng)力與硬化層的嚴重形成，顯著地影響零組件的尺寸穩(wěn)定性。

2 工藝方案的選擇

針對產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)特點和精度要求，以及影響零組件尺寸穩(wěn)定性的因素，在選擇工藝方案進行規(guī)程設(shè)計時，遵循了如下原則：

（1）通過提高工藝系統(tǒng)的剛度，采用特殊的夾具（自制夾具）和裝夾方法（真空吸盤）、以及特殊的刀具等，解決加工中零件產(chǎn)生微量變形和減小切削應(yīng)力的技術(shù)難題，以保證零組件的加工精度。

（2）正確組合機加工中與熱處理各工序，使之合理匹配，密切結(jié)合，以解決零組件的尺寸穩(wěn)定性問題。

a、劃分加工階段

把整個加工過程分為粗加工、半精加工、精加工等幾個階段。粗加工階段主要是切除較多的加工余量，使零件材料的原始內(nèi)應(yīng)力獲得部分釋放。在半精、精加工階段，按工序分散原則，編排多道工序，每一工序均采用小切削用量、多次切削加工、順銑和逆銑交替進行的工藝方法，使切削應(yīng)力減到最小程度，尤其是最終成形的一道精加工工序，其總的切除余量不大于0.05 mm，幾乎不產(chǎn)生切削應(yīng)力，使零件處于內(nèi)應(yīng)力很小的自然狀態(tài)。

b、合理安排中間熱處理工序

零件應(yīng)力應(yīng)隨著工序的進展逐級減少。在分階段后，各工序之間合理地安排有關(guān)熱處理工序，目的是消除內(nèi)應(yīng)力，使零件始終處于應(yīng)力衰減的過程中。

對LY12-CZ鋁合金板進行一次變CZ狀態(tài)為CS狀態(tài)的人工時效處理。

LY12-CZ鋁合金的組織穩(wěn)定性很差，這對尺寸的穩(wěn)定很不利。因此，我們在零件粗加工后，對處于“CZ”狀態(tài)的LY12半成品進行一次人工時效處理，為了不降低材料的強度，保證零件在隨后加工中的足夠剛度，我們采用了在180℃下長時間保溫的時效工藝，通過這一步人工時效處理，不但使材料由“CZ”狀態(tài)變?yōu)椤癈S”狀態(tài)，穩(wěn)定了組織，而且還達到消除零件粗加工應(yīng)力的目的。實踐證明，這是必不可少的一個重要工序，它也為以后多道的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理打下了良好的組織基礎(chǔ)。

（4）在機械加工工序間，安排多道冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理工序，有效地消除零組件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。通過反復(fù)的工藝實踐證明采用△T=200℃的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理的工藝方法，可使零件處理前的原有應(yīng)力消除90%左右。即-100℃×4 h/+110℃×4 h。每道工序循環(huán)三次。在整個加工過程中共安排三道這種冷熱循環(huán)三次的穩(wěn)定處理。冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理在消除應(yīng)力方面之所以有如此明顯的效果，我們認為一方面是因為在處理過程中，由于冷熱溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力和同時導致的微觀應(yīng)力，有一部分與零件中已存在的殘余應(yīng)力相平衡，而另一部分則與殘余應(yīng)力相疊加，并引起塑性應(yīng)變，這種塑性應(yīng)變既釋放掉了一些彈性應(yīng)力，又使殘余應(yīng)力重新分布，獲得殘余應(yīng)力下降的效果；另一方面，冷熱溫度交變的結(jié)果，會驅(qū)動零件材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成比較穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)，達到穩(wěn)定尺寸的目的。

3 結(jié) 論

（1）采用銑削方法加工形狀復(fù)雜的薄壁精密零件，應(yīng)首先注意提高工藝系統(tǒng)的剛度，并要采用特殊的夾具和裝夾方法，以及特殊的刀具，盡量減小加工中附加的應(yīng)力。

（2）整個機械加工要分階段進行，在精加工階段，最終的切除余量應(yīng)不大于0.05 mm。同時，要正確地安排好機加工序與熱處理工序的先后秩序，使之合理匹配，密切結(jié)合，以保證零件始終處于殘余應(yīng)力衰減的過程中。

（3）為了保證零件高的精度和尺寸穩(wěn)定性，必須對LY12-CZ狀態(tài)的原材料在粗加工后進行人工時效，使其由原來的“CZ”狀態(tài)變?yōu)椤癈S”狀態(tài)。

（4）殘余內(nèi)應(yīng)力是導致零件尺寸不穩(wěn)定的一個重要原因，而采用冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理來消除內(nèi)應(yīng)力，是行之有效的重要工藝手段。

生產(chǎn)實踐證明，在不降低LY12-CZ鋁合金機械性能的前提下，采用上述四項原則穩(wěn)定的工藝方案是可行的。它能在銑削加工條件下，成功地達到設(shè)備中復(fù)雜零件零組件要求的尺寸精度，并可靠地保證了零組件隨后的高尺寸穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過多次工藝試驗，根據(jù)我們設(shè)備中精密零組件的高精度、薄壁等特點，在生產(chǎn)實踐中，重視了機加工與熱處理的匹配，并在不降低LY12-CZ原機械性能的前提下，在工藝方案中選取了一道人工時效處理和三道各循環(huán)三次的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理，使整個零組件從加工、裝配、產(chǎn)品測試和庫存，再到成品試驗的自然時效時間內(nèi)，原加工精度經(jīng)過再次復(fù)測，沒有發(fā)生變化。說明我們加工LY12-CZ鋁合金精密零組件的工藝方案是可行的。但由于影響零件精度和尺寸穩(wěn)定性的因素比較復(fù)雜，我們對尺寸不穩(wěn)定機理的研究和試驗尚不夠充分，這都要求我們在今后的生產(chǎn)實踐中進一步探索。

[1] 邱言龍.銑工技師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 韓鴻鸞.國家職業(yè)資格培訓教材編審委員會《 數(shù)控銑工加工中心操作工》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 徐圣群.簡明機械工藝手冊[M].上海：上海科學技術(shù)出版社，1991.