防止鋁合金工件變形的工藝方法

1序言目前，鋁合金材料大量應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中。對(duì)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(jìn)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(shí)，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(duì)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。a）刀路模擬

b）產(chǎn)品從毛坯中取出c）刀路切削區(qū)域示意圖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(duì)工件進(jìn)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(yùn)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(jì)的專用吸盤工裝如圖3所示。圖2通用吸盤a）小葉輪吸盤工裝

b）凹模吸盤工裝c）氣動(dòng)殼吸盤工裝圖3根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的專用吸盤工裝（3）設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋和工藝料頭若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以支持后序精加工，則需在開粗時(shí)留下加強(qiáng)筋，從而保證精加工前的裝夾強(qiáng)度，且去除加強(qiáng)筋時(shí)也不會(huì)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(jì)加強(qiáng)筋便于虎鉗裝夾加工工件背面（見圖4）。②設(shè)計(jì)工藝料頭便于后序定位（見圖5）。③設(shè)計(jì)工藝料頭+加強(qiáng)筋便于后序定位和加工（見圖6）。a）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

b）設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋圖4設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋便于虎鉗裝夾加工工件背面a）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

b）設(shè)計(jì)工藝料頭圖5設(shè)計(jì)工藝料頭便于后序定位a）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

b）設(shè)計(jì)工藝料頭+加強(qiáng)筋圖6設(shè)計(jì)工藝料頭+加強(qiáng)筋便于后序定位和加工常規(guī)加工方法的綜合應(yīng)用實(shí)例如圖7所示。工藝實(shí)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(bǔ)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(jì)加強(qiáng)筋，可同時(shí)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）。a）產(chǎn)品正面結(jié)構(gòu)

b）產(chǎn)品反面結(jié)構(gòu)c）反面定位面補(bǔ)面

d）正面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋e）專用吸盤工裝裝夾，精加工正面

f）專用吸盤工裝實(shí)物圖7常規(guī)加工方法的綜合應(yīng)用實(shí)例3時(shí)效處理（1）間接時(shí)效處理即將粗加工單獨(dú)作為一道工序替代時(shí)效處理。工件在機(jī)床上加工，粗加工完成后取下工件，然后再進(jìn)行精加工，中間可以不用間隔時(shí)間（如果是批量生產(chǎn)產(chǎn)品，統(tǒng)一開粗后再進(jìn)行精加工即可，中間不用間隔時(shí)效時(shí)間)。注意：工件需進(jìn)行完全開粗，整體開粗后單邊留余量0.5mm，再進(jìn)行精加工。毛坯的開粗過程就是一次間接的時(shí)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(shí)效處理①人工時(shí)效：對(duì)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(duì)大型零件和薄壁零件，過程較慢。②熱處理時(shí)效：相對(duì)于人工時(shí)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(dòng)力零件（見圖8），則多數(shù)要求做時(shí)效處理：首先，時(shí)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(shí)，可以獲得穩(wěn)定的組織，以免運(yùn)動(dòng)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。a）定子葉環(huán)

b）蝸殼c）定子葉輪

d）齒輪箱殼體e）通腔盒體圖8在結(jié)構(gòu)上屬于動(dòng)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(huì)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?yàn)殇X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(qiáng)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(huì)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(gè)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(huì)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?yàn)樵谲囅鬟^程中幾乎不產(chǎn)生熱量，所以在粗加工后可以不進(jìn)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(gè)四方形產(chǎn)品的基準(zhǔn)面，在銑削時(shí)總是出現(xiàn)變形，即使刀具的進(jìn)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(huì)產(chǎn)生熱量及應(yīng)力。最后改用單動(dòng)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(diǎn)接觸，不會(huì)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120mm×400mm×12mm，產(chǎn)品尺寸370mm×110mm×7mm，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(dá)到要求。改進(jìn)后的工藝方法：①用車床配合單動(dòng)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(dá)到圖樣要求。a）毛坯b）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shí)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?yàn)榛Q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(huì)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(jì)思路其實(shí)就是要考慮裝夾力的方向，參考方法如下：①設(shè)計(jì)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(tái)限位（見圖11）。③設(shè)計(jì)帶銷釘?shù)能涖Q口（見圖12）。④設(shè)計(jì)帶限位的V形定位工裝（見圖13）。⑤設(shè)計(jì)與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝（見圖14）。⑥設(shè)計(jì)特殊壓板配合的工裝（見圖15）。a）產(chǎn)品外形

b）專用工裝+特殊壓板

c）螺紋反拉工裝圖10設(shè)計(jì)專用工裝+特殊壓板、螺紋反拉工裝a）產(chǎn)品外形

b）內(nèi)孔配合+小凸臺(tái)限位圖11內(nèi)孔配合+小凸臺(tái)限位a）產(chǎn)品外形

b）帶銷釘?shù)能涖Q口

c）虎鉗輕夾使用圖12設(shè)計(jì)帶銷釘?shù)能涖Q口a）產(chǎn)品外形

b）帶限位的V形定位工裝

c）裝夾示意圖13設(shè)計(jì)帶限位的V形定位工裝a）產(chǎn)品外形

b）與外形配合的單件工裝塊

c）多模塊工裝圖14設(shè)計(jì)與外形配合的單件工裝塊和多模塊工裝a）產(chǎn)品外形

b）特殊壓板配合的工裝

c）成形后的產(chǎn)品圖15設(shè)計(jì)特殊壓板配合的工裝6針對(duì)鑄鋁件塑形變形的工藝改進(jìn)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(shí)卻存在一些缺點(diǎn)：①鑄件本身結(jié)構(gòu)已經(jīng)缺乏剛性，加工時(shí)更是缺乏裝夾剛性。②鑄件在加工過程中就是一個(gè)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(dá)不到要求。a）粗加工工件反面及工裝

b）精加工工件正面及工裝c）精加工工件反面及工裝

d）車削工件兩端及工裝圖16某鑄鋁件的加工過程該產(chǎn)品的主要精度要求：豎直兩個(gè)孔的極限偏差為mm，大平面平面度為0.02mm，大平面與兩個(gè)豎直孔、水平孔的垂直度和平行度均為0.03mm。

對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)如下。

1）第一次改進(jìn)：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(duì)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(jìn)：換一種思路，對(duì)大平面及相對(duì)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(jī)械加工性能如下。

（1）2A12鋁合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)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(jī)械加工性能良好，但其最大的特點(diǎn)是易變形，是考驗(yàn)工藝人員水平的代表性材料。

（2）6061鋁合金強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(jī)殼等。6061鋁合金的機(jī)械加工性能體驗(yàn)極佳，不易變形，但是一旦變形，幾乎就是報(bào)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?yàn)榍袛鄷?huì)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(jìn)行后序精加工，以達(dá)到減少工件變形的作用。這里值得一提的是，填充的一個(gè)最重要的作用是增強(qiáng)剛性，另一個(gè)作用是增加產(chǎn)品的時(shí)效性。a）工件與開粗后的毛坯

b）銷孔聯(lián)接塊c）內(nèi)部填充加工外形圖17開放性硬填充示意工件內(nèi)弧面加工至達(dá)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(qiáng)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(gè)薄壁的弧形鋁合金葉片做化學(xué)填充，同時(shí)還需要工裝的輔助?；瘜W(xué)物質(zhì)填充進(jìn)已加工的弧面，隨著化學(xué)物質(zhì)的凝固，對(duì)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(duì)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(duì)的