控制和消除鋁合金工件變形，難點、要點個個擊破！

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編者按

針對方形框架的結構特點及關鍵技術難點，探討提高鋁合金結構件加工精度的方法，整個工藝思路均圍繞如何控制和消除工件變形。透過制定合理的工藝方案和製作工裝夾具，對原始毛料進行大餘量開粗和關鍵部位精加工，有效解決了加工過程中的變形難題。

1 序言

鋁合金是最廣泛應用於航空航天、汽車、軍工及化學工業等行業的有色金屬結構材料，特別是近幾年來，在軍工、航空航天業中的應用呈現井噴狀態，其中結構件成為機械加工中的主流產品。結構件的外形結構千奇百怪，精度要求也呈現直線上升趨勢，其工藝目標一直是控制變形、提高精度。下面以無人機中的結構件方形框架為例，探討提高鋁合金結構件加工精度的方法。

隱蔽型無人機精密旋轉攝像頭結構

圖1為隱蔽型無人機精密旋轉攝像頭，其內部結構和組成部分如圖2所示，其中綠色結構件為方形框架。

a）檢測臺與旋轉攝像頭成品 b）攝像頭區域性細節展示

圖1　隱蔽型無人機精密旋轉攝像頭

a）平視視角 b）旋轉180°視角

圖2　旋轉攝像頭內部結構和組成部分

方形框架的結構特點及關鍵技術難點

圖3為方形框架結構，其特點為：①從結構組成上看，方形框架為整個結構的載體。②從輸出精度上看，方形框架為關鍵精密輸出結構件。

a）外形結構 b）內部結構

圖3　方形框架結構

方形框架加工的關鍵技術難點分析如下。

1）圖4為方形框架結構尺寸及精度要求，其中兩處mm水平通孔及端面mm豎直通孔及端面的幾何公差要求非常高，且表面粗糙度值Ra＝1。6μm。

圖4　方形框架結構尺寸及精度要求

2）方形框架材料為7075鋁合金，作為7系商用最強力合金之一，其強度高，同時具有良好的力學效能。該產品能夠研發出來，材料的特性也起到了關鍵作用。

3）產品實體聯接部分壁厚僅為3mm，符合薄壁件結構特點。

4）加工時，在保證產品精度的同時，如何控制產品的變形顯得尤為重要。

方形框架加工工藝方案的制定及分析

4.1 第一次開粗

對原始方形毛料進行大餘量開粗，形成開放性毛坯。第一次開粗如圖5所示，其中綠色部分為工件，透明外形方塊為開粗後的毛坯。U形內腔單邊留餘量0。5mm。

a）正視 b）側視

圖5　第一次開粗

工藝分析：①去除大餘量毛坯，讓產品做初次應力釋放。②之所以不做成封閉性毛坯，是因為考慮切斷後，會因產品區域性的應力集中而導致變形。

4.2 第二次開粗

對精度要求低的位置加工到位，對精度要求高的位置做開粗處理。具體實施方案如下。

1）對開粗後毛坯進行四方及U形內腔的光刀（為提高工件加工表面質量而進行的切削加工，即“再精車一刀”），以消除粗加工變形。光刀後U形內腔單邊留餘量0。4mm。

2）對圖6所示紅色凹槽區域加工到位（即產品本身區域到位，不留餘量）。

圖6　紅色凹槽區域加工到位

3）對圖7所示三處紅色套孔區域進行開粗，單邊留餘量0。2mm。

a）仰視 b）俯視

圖7　三處紅色套孔區域開粗

工藝分析：①此時的毛坯剛性滿足裝夾要求。②工件基體為開粗後基體，基本穩定，後序加工不會出現因加工餘量過多而產生大變形。

4.3 第三次開粗

用線切割方式去除工件外形餘量（見圖8），線切割去除左右兩側毛坯（見圖9），兩側留出可以夾持的工藝料頭。

圖8　用線切割方式去除工件外形餘量

圖9　線切割去除左右兩側毛坯

工藝分析：線切割加工本身產生的熱量較少，能夠有效地減少基體變形。

4.4 時效處理

對工件進行時效處理，入爐溫度為室溫，升溫速度為127℃/h，保溫溫度為（185±10）℃，保溫時間為4～5h，降溫速度為43℃/h，冷卻方式為隨爐冷卻，出爐溫度為室溫。

工藝分析：①消除工件加工過程中的內應力。②穩定工件基體組織。

4.5 基準精加工及方法

製作封閉性假毛坯（見圖10）：①在毛坯前端面加工四處銷孔（見圖10b）。②在同大小的聯接塊上加工四處銷孔，透過銷釘將工件與聯接塊聯接在一起（見圖10c），形成封閉性假毛坯。

a）現有毛坯狀態

b）在毛坯前端面加工四處銷孔

c）透過銷釘將工件與聯接塊聯接在一起

圖10　製作封閉性假毛坯

具體實施工步方案如下。

1）壓板裝夾，精光封閉後毛坯上平面（即工件兩側工藝料頭上平面及聯接塊上平面），去除平面的高度差，形成一個基準平面。

2）翻面壓板裝夾，同樣方法精光封閉後毛坯另一平面，去除聯接後平面的高度差，形成一個平面，同時加工U形內腔，U形內腔單邊留餘量0。05mm。

3）拆分封閉性假毛坯，目的就是釋放工件的內部加工應力。

4）虎鉗裝夾工件兩側工藝料頭，見光平面，且在同位置擴大工件端面的四處銷孔。

5）虎鉗裝夾聯接塊，見光平面，且在同位置擴大聯接塊端面的四處銷孔。

6）再次透過銷釘聯接在一起，壓板裝夾再次執行工步1）和工步2），在此基礎上精光四方基準，U形內腔精加工到位。圖11所示紅色端面加工到位。

圖11　紅色端面加工到位

試驗結果：第一次取下聯接塊，變形及收縮量為0。03mm；第二次取下聯接塊，變形及收縮量僅為0。005mm。

工藝分析：①圖10a為現有毛坯狀態（即時效後狀態，工件基體較穩定），由於要想完成三處關鍵部位的最終加工，首先就要完成工件的基準加工，但是敞開式毛坯的缺點就暴露出來了，比起封閉式毛坯缺乏有效的剛性，所以就需要為工件本身增加剛性，製作封閉性假毛坯。②封閉性假毛坯製作後，必須著手消除兩種變形，第一種為聯接後的剛性變形；第二種為加工後的應力變形。同時也可感受到封閉性假毛坯的妙處，即有效地避免了原始封閉性毛坯切斷產生的應力集中。

4.6 三處套孔及端面的精加工

在基準加工過程中，圖11所示紅色端面已經加工到位，找正基準分別加工其餘三處套孔及端面。加工方法為：虎鉗裝夾厚度方向，且鉗口夾滿（同時夾持聯接塊與工藝料頭），基準找正工件0。005mm以內，分別完成圖12所示三處紅色套孔及端面的加工。加工中，配合採用圖13所示高精度探頭錶針進行檢測。加工順序為：找正四方基準→粗鏜→檢測位置→精鏜。