白雪坤

成都劍澗優(yōu)能航空設(shè)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(yīng)用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中。對于鋁合金工件加工工藝的研究內(nèi)容，大部分是如何控制鋁合金變形，從而進一步提高產(chǎn)品精度。

2 鋁合金工件的常規(guī)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(nèi)腔及內(nèi)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(nèi)應(yīng)力集中而導(dǎo)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(chǎn)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(jù)產(chǎn)品設(shè)計的專用吸盤工裝如圖3所示。

圖2 通用吸盤

圖3 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的專用吸盤工裝

（3）設(shè)計加強筋和工藝料頭 若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)生多余的熱量及應(yīng)力。采用該方法的工件外形尺寸不宜過大。例如：①設(shè)計加強筋便于虎鉗裝夾加工工件背面（見圖4）。②設(shè)計工藝料頭便于后序定位（見圖5）。③設(shè)計工藝料頭+加強筋便于后序定位和加工（見圖6）。

圖4 設(shè)計加強筋便于虎鉗裝夾加工工件背面

圖5 設(shè)計工藝料頭便于后序定位

圖6 設(shè)計工藝料頭+加強筋便于后序定位和加工

常規(guī)加工方法的綜合應(yīng)用實例如圖7所示。工藝實施方法如下：①根據(jù)產(chǎn)品正反面結(jié)構(gòu)分析，工件反面加工內(nèi)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(chǎn)品較薄，易變形，正面設(shè)計加強筋，可同時避免產(chǎn)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(chǎn)品正面精加工（見圖7e、圖7f）。

圖7 常規(guī)加工方法的綜合應(yīng)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(chǎn)產(chǎn)品，統(tǒng)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(yīng)力的間接釋放過程。該方法適用于大部分精密結(jié)構(gòu)件、航空結(jié)構(gòu)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)用于去除余量大、精度要求高的產(chǎn)品，目的就是去除內(nèi)應(yīng)力，獲得穩(wěn)定的組織。若產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上屬于動力零件（見圖8），則多數(shù)要求做時效處理：首先，時效處理能有效地消除內(nèi)應(yīng)力，保證后續(xù)加工的尺寸穩(wěn)定性；其次，在去除內(nèi)應(yīng)力的同時，可以獲得穩(wěn)定的組織，以免運動過程中持續(xù)產(chǎn)生的熱量使原本合格的產(chǎn)品再次產(chǎn)生變形。

圖8 在結(jié)構(gòu)上屬于動力零件的產(chǎn)品

4 防止鋁合金產(chǎn)品基準(zhǔn)面變形的方法

在加工中，經(jīng)常會遇到精加工前基準(zhǔn)面已經(jīng)變形，無法作為精加工基準(zhǔn)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(xiàn)象，造成精加工后尺寸變形、超差。

鋁合金產(chǎn)品基準(zhǔn)面防止變形的方法總結(jié)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(zhǔn)面，這樣精銑的基準(zhǔn)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(zhǔn)面較平的情況下，多重復(fù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhǔn)面車削到位。筆者曾經(jīng)加工一個四方形產(chǎn)品的基準(zhǔn)面，在銑削時總是出現(xiàn)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(chǎn)生熱量及應(yīng)力。最后改用單動卡盤夾持四方形工件，車出了合格的基準(zhǔn)面。車削終究是刀尖點接觸，不會出現(xiàn)大面積的熱量及應(yīng)力集中。舉例如下。

待加工產(chǎn)品如圖9所示。工件材料為2A12-T4，毛坯尺寸120m m×400m m×12m m，產(chǎn)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(fù)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(chǎn)品厚度車削至尺寸達到圖樣要求。

圖9 待加工產(chǎn)品毛坯及結(jié)構(gòu)示意

5 防止鋁合金產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(shè)計思路其實就是要考慮裝夾力的方向，參考方法如下：①設(shè)計專用工裝+特殊壓板、螺紋反拉工裝（見圖10）。②內(nèi)孔配合+小凸臺限位（見圖11）。③設(shè)計帶銷釘?shù)能涖Q口（見圖12）。④設(shè)計帶限位的V形定位工裝（見圖13）。⑤設(shè)計與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝（見圖14）。⑥設(shè)計特殊壓板配合的工裝（見圖15）。

圖10 設(shè)計專用工裝+特殊壓板、螺紋反拉工裝

圖11 內(nèi)孔配合+小凸臺限位

圖12 設(shè)計帶銷釘?shù)能涖Q口

圖13 設(shè)計帶限位的V形定位工裝

圖14 設(shè)計與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝

圖15 設(shè)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(chǎn)品有一定的特殊性。由于是鑄件，所以產(chǎn)品精度要求通常很高。其外形上一些不重要的地方已經(jīng)鑄造成型，在方便的同時卻存在一些缺點：①鑄件本身結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(yīng)力集中體，稍作加工，內(nèi)應(yīng)力便存在。③大部分鑄鋁件加工后的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)孔都非常容易出現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)尺寸回縮現(xiàn)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(jīng)檢測孔的公差合格，但是產(chǎn)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(chǎn)品尺寸及幾何精度，也由此可見，鑄鋁件的塑性變形應(yīng)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(chǎn)品如軍工、航天等高負(fù)荷零件和高精密模具，其中2A12-T4是應(yīng)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(yōu)良的焊接特點和電鍍性，以及良好的抗腐蝕性，在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的產(chǎn)品除外。

8 開放性硬填充和化學(xué)填充

（1）開放性硬填充（見圖17） 圖17a為開粗后的狀態(tài)，內(nèi)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(chǎn)品大量的應(yīng)力集中，通過銷孔聯(lián)接塊將剛性提高，粗加工后可以取下聯(lián)接塊，釋放應(yīng)力后，再次聯(lián)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(chǎn)品的時效性。

圖17 開放性硬填充示意

工件內(nèi)弧面加工至達到尺寸要求后，配合內(nèi)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(xué)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(xué)填充，同時還需要工裝的輔助?；瘜W(xué)物質(zhì)填充進已加工的弧面，隨著化學(xué)物質(zhì)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(chǎn)品過薄而產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。該方法不是大眾化的通用方法，而是針對專用產(chǎn)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(jīng)驗。且鉗工校形終究是機械校形，畢竟可以校形的產(chǎn)品至少需要一個好的機體作為前提。此外，筆者認(rèn)為校形的大部分產(chǎn)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(shù)好的鉗工對板類產(chǎn)品進行校形，校平精度在0.1mm左右。

10 結(jié)束語

防止鋁合金工件變形的工藝方法很多，轉(zhuǎn)變思路尤為重要。在實際加工中要抓住零件結(jié)構(gòu)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(yīng)力變形，用簡單的方法去解決復(fù)雜的問題。