薄壁铝合金零件切削成型工艺研究

摘 要：铝合金是工业制造中应用最为广泛的有色金属材料，薄壁铝合金零件因其质量轻、易成型、结构紧凑和屏蔽性能好等特点，被广泛应用于航空航天、电子通信和汽车行业等领域。该文针对数控铣切削成型的薄壁铝合金零件，从工艺方案及工序设计的角度给出了解决的方法，从而降低零件在加工过程中的变形，避免加工基准与设计基准不能重合产生的误差，提高零件的加工精度（尺寸公差和形位公差）。

关键词：薄壁铝合金零件 数控铣加工 工艺方案 加工精度

中图分类号：TG751 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0097-03

铝合金具有密度小、成本较低、内应力均匀、散热性能良好、不易腐蚀等特点，因此铝合金零件被广泛应用于各行各业，尤其是电子行业及航空航天行业。铝合金零件的成型方式一般分为钣金成型、机加工成型和模压（铸造或锻造）成型，其中，机加工成型的工艺方法更易于实现结构形式复杂而精密的零件以及单件小批量试制类零件，因而在电子行业及航空航天等领域得到了广泛应用。

近年来，因重量的限制以及密闭性、屏蔽性、功能性等综合要求，薄壁铝合金零件被广泛应用，且结构形式越来越复杂，精度要求越来越高，而且产品往往是单件试制型零件，不适于采用模压成型工艺，又因焊接工艺的局限，钣金成型及拼焊成型的工艺方法一般也无法满足产品要求，因此选用整体切削成型的工艺方法。目前，薄壁铝合金零件形式多样，该文针对非回转体类的薄壁铝合金零件（以下简称薄壁铝合金零件）的切削成型工艺进行研究，如何减少整体切削加工成型的薄壁零件变形或不发生变形，满足各项精度高的技术要求，成为了产品能否满足性能要求的关键工艺课题。

1 加工设备的选择

普通铣床一般无消隙功能，在逆铣加工过程中，易形成积屑瘤增大切削力，又因夹紧力影响，表面粗糙度达不到技术要求，薄壁处易出现扭曲变形现象，相对较厚的内框面壁厚及平面度也达不到技术要求，特别在切削加工过程中，易产生翘曲变形。若零件复杂程度高，普通铣床加工难度会更大，甚至相当困难，效率大大降低，加工设备的工艺性差。

针对薄壁铝合金零件，尤其是复杂薄壁铝合金零件，一般选择数控加工中心。它加工适应性强、多轴联动，工艺人员基于零件，统筹设计出最优工艺方案，通过数字化编程，设置合理的主轴转速、进给量、切削量、插补、刀具补偿等参数，可加工出轮廓形状特别复杂或某些特殊的难以控制尺寸的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件，且一般不需要使用专用夹具等专用工艺设备，加工精度和效率高；能在一次装夹后，完成多道工序（铣削、镗削、钻削和攻螺纹）的加工；若零件需要变换工位，数控加工中心重复定位精度高；通过合理的工序及工步设计，数控加工中心可以实现薄壁铝合金零件的切削成型，并且满足设计要求。

2 铝合金材料的工艺性

金属材料工艺性能的优劣，直接影响其工艺过程的繁简、难易程度，工艺人员在进行数控编程时，需要充分考虑材料特性，合理选择刀具、加工参数等，否则会影响金属制品的加工质量。

铝合金材料的工艺特性中，导热系数较高、易产生加工变形问题，特别是复杂薄壁铝合金零件，切屑量较大、形状复杂，会导致零件失去应有的加工精度。针对薄壁铝合金零件铣削成型工艺，在满足产品零件性能的前提下，选择加工工艺性能较好的2系铝合金，如2A12 H112。

3 产品成型工艺的选择

大多数产品的成型不仅仅采用一种工艺方法，合理安排各种工序，才能解决加工变形及提高精度等问题。针对薄壁铝合金零件，特别是复杂薄壁铝合金零件，主要成型工艺一般选择数控加工中心铣削成型，再统筹钳工、热处理及表面处理等工序，尤其是热处理工序与铣加工工序的交叉安排，设计出最优化的工艺路线，保证零件的技术要求。整个加工实现过程中，数控加工中心的铣削加工是零件满足图纸设计要求的关键过程。

4 薄壁铝合金零件的结构工艺性分析

4.1 零件结构特点

复杂铝合金薄壁零件的结构特点是结构要素多和壁薄等特点，通常含有如下几类结构要素：薄壁厚度不一、立面凸台、立面凹槽、端面环槽、底面凸台与环槽等，且工件多面均含有不同结构要素需加工。

4.2 变形问题

影响薄壁铝合金零件铣削成型，最需关注的是变形问题，内应力、切削热和装夹等情况，易引起工件变形。有些变形可通过合理的工艺设计避免，有些变形无法完全消除。基于零件功能，将不可避免的变形控制在非功能性区域内。

4.3 变形问题的解决途径

第一，分析零件的技术要求（尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等），确定工位及加工内容；为保证最终的技术状态，是否增加工艺辅助工序，如工序间的热处理工艺以释放应力等；第二，合理安排工序、细化工步；第三，统筹各设计基准、形位公差和表面光洁度等技术要求，合理选择刀具、加工基始案骷庸げ问；第四，考虑变形对重复定位的影响；第五，避免变形对关键尺寸的加工产生影响。

5 铣加工工序工步的安排

合理的加工顺序是保证结构设计精度的关键，在进行工艺设计前，应该对铣加工工步的划分和顺序做好安排。

按照先面后孔、先粗后精等基本工艺原则划分工序工步，安排顺序。

根据数控机床工序高度集中的特点，采取按所用刀具来划分工序和工步的原则，即用同一把刀具加工完工件上所有需用该刀具加工的各个部位后，再换下一把刀具进行加工，以减少换刀次数和时间。

考虑到加工中存在重复定位误差，对于同轴度要求很高的孔系，就不能采用上述原则，应该在一次定位后，通过顺序连续换刀，顺序连续加工完该同轴孔系的全部孔后，再加工其他位置的孔，以提高孔系的同轴度。

6 薄壁铝合金零件加工工艺设计实例

6.1 结构工艺分析

针对薄壁铝合金零件见图1，进行结构工艺分析：零件属于薄壁盒体零件，主要成型过程采用数控铣加工成型，加工难度在于内腔的铣削量较大，易产生加工变形，且工件每个面都需要铣削加工，考虑零件技术要求及加工的经济性，合理安排铣加工工序工步，先加工底面（铣削量少的一面），再翻面加工型腔，再加工其余几面，完成铣加工工序，既能保证工件的技术要求，还可以降低成本。

6.2 零件的加工过程

通过该零件结构工艺分析，制定如下工艺路线：下料―铣基准―铣底面―粗铣内腔―视工件加工情况热处理释放应力―精铣内腔―铣端面环槽―铣侧面（4次）―钳工钻孔―表面后处理工序，其中粗铣内腔后，根据壁厚实际情况，可以通过时效处理改善工件的变形情况，从而节省成本。

6.3 零件的工艺设计

针对图1中的薄壁盒体零件，参照图纸（图2～图4），按照上述工艺流程进行工艺规程的设计。

注意：工件上表面环形密封槽的尺寸公差，以及槽内各面的表面粗糙度要求为Ra3.2；腔体内部四周立面上的凸台，要用到相应规格的T型槽铣刀。

（1）下料。

（2）虎钳装夹找正，粗精铣外形，保证平面度、粗糙度。

（3）虎钳装夹找正，铣工件底部台阶面，钻底面各孔。

（4）翻面装夹找正，粗铣内腔（注意内部异性台阶、按内腔形状），留2 mm精加工余量，精铣内腔（注意台阶、通孔处台阶高度不等），注意各侧面台阶，T型刀加工侧面圆弧凸台，T型刀铣航插孔处台阶（4处）；锪台阶孔，钻孔；视情况，增加热处理工序；铣厚度到工件要求（注意形位公差），再铣环形槽，保证平面度、粗糙度。

（5）翻面装夹找正，粗精铣侧面外侧的矩形台阶，锪各台阶孔，钻铣各孔，注意孔周边倒角。

（6）翻转3次，虎钳装夹找正，粗精铣侧面外侧的矩形台阶，注意周边倒角。

（7）钳工钻螺纹底孔。

（8）表面处理。

按照以上工艺方案（流程）加工出的零件，完全满足设计要求。

7 结语

合理有效的工艺流程能够保证零件的加工质量，从而保证产品的整体性能，尤其在航空航天、电子通信等产品领域更是尤为重要。薄壁铝合金零件的铣加工工艺方案的制定综合了材料、机床、夹具和热处理等具体条件，是工艺技术和生产经验的总结，已得到了较好应用。

⒖嘉南

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