铝合金薄壁弧形板的加工制造

魏 星，槐胜丰

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

铝合金薄壁弧形板的加工制造

魏 星，槐胜丰

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

某铝材质天线基座零件整体采用弧形结构。由于尺寸较大，1～2 mm薄壁弧面占比较大，加工去除率很高，因此加工过程中弱刚性及变形等因素都将影响零件整体的尺寸精度和形位公差。文中通过对该零件加工工艺的分析，采用了整体变形控制工艺，能够有效保证零件相关尺寸精度和形位公差，确保产品质量。

薄壁；弱刚性；残余应力；变形

引 言

在国防制造领域，铝合金材质因其密度低、强度高、耐腐蚀性优良、可加工性好、价格低廉等优点在电子类产品中得到越来越广泛的应用[1-2]。但有些形状较复杂的薄壁弧形精密零件，因其壁厚较薄、刚性差、在加工中易受力变形、受热变形等缺陷，零件的尺寸精度和形位公差很难保证，成品率较低。因此，形状复杂的铝合金薄壁弧形零件的加工变形问题一直影响生产的顺利进行。为解决此类零件加工过程中变形的技术难题，降低制造成本，确保产品质量，本文对某铝合金薄壁弧形板的加工制造进行了工艺研究和试验，采用了整体变形控制工艺，并在实际加工中验证了这种整体变形控制工艺，能够很好地控制该类零件的变形，有效地解决了此类零件加工过程中存在的技术问题。

1 结构工艺分析

某天线基座零件弧形板材质为铝合金5A05，整体采用弧形结构，外形尺寸为95 mm × 130 mm × 330 mm，两侧最薄壁厚1 mm，如图1所示。零件本身包含一些孔，2条加强筋上的12个大孔为减轻孔，弧面上包含7组插座安装孔。经测算分析，弧形面1 mm厚度弧面占比为25%，2 mm厚度弧面占比为42%，即1～2 mm厚度薄面占总弧面的三分之二。

图1 弧形板结构示意图

由于该弧形板零件的结构特殊性，须采用板料或棒料进行整体加工。采用拼接方式虽然可以节约大量材料，但难以保证零件因配合因素所造成的整体尺寸精度和形位公差。

在铝合金薄壁弧形板的精密加工中，最关键的是要防止零件在切削力和装夹力等因素共同作用下发生的切削加工和受热变形。该弧形板结构复杂，需要在一毛坯料中完成90%以上的材料去除率后才能成形，同时需要完成一些径向、周向、斜向孔的加工。所以不仅加工工序流程复杂，而且加工的工艺性较差。由于加工过程的先后，存在不对称的加工部位和不均匀的加工应力，存在工件内部残余应力的重新分布和不均匀释放，因此其加工变形极易发生，变形量也更大。针对该问题，在加工过程中应考虑释放应力和均匀分布应力以控制零件的加工变形，无论是在不形成特征尺寸的粗加工过程中还是在控制尺寸精度的精加工过程中，都把变形控制作为零件加工的重要内容进行分析和考虑，从而达到整体控制加工变形的效果。总而言之，控制加工变形是保证零件加工精度的首要因素。因此，在加工过程中需留切削余量，增设去应力的时效热处理工序，及时释放因加工所积聚的残余应力，待残余应力释放后再完成后续的加工。

2 加工工艺路线

该弧形板零件在加工过程中形成的加工变形主要是由于残余应力释放造成的，特别是在大去除率的加工过程中，如果不能很好地处理残余应力释放的问题，就容易造成零件加工过程中及加工后的大变形，从而使尺寸超差或者产品不满足要求而报废。

本文结合零件的特点，制定了相应的控制零件加工变形的加工工艺路线。工艺流程包括大余量开粗加工、定位面精加工、粗加工、时效处理、在线余量测量和精加工等，如图2所示。大余量开粗加工可以有效地释放毛坯的残余应力，该工序不形成特征尺寸，主要是通过大余量的材料去除释放毛坯残余应力，是控制变形的有效工序。定位面精加工、粗加工和时效处理主要是释放上道工序的残余应力，这一系列的加工过程可以形成余量分布均匀的毛坯，加之时效处理，使加工变形更易得到控制。利用数控设备的在线测量技术，可以精确地确定工件在粗加工和时效处理后余量的变化情况，从而调整加工工艺，以保证特征尺寸的精度，为后续的精加工做准备。精加工将形成零件最终的特征尺寸。

图2 弧形板整体变形控制工艺流程

3 加工过程的实施

弧形板整体变形控制工艺流程是在综合考虑零件从毛坯到最终特征尺寸形成各个阶段的基础上制定的。该流程的优化经过了多次工艺试验，包括切削加工工艺改进试验、专用工装的设计及试用试验、去应力试验等。在参阅文献[3]和[4]的基础上，为弧形板零件的加工提供了有效的解决方案。根据这些试验的摸索，形成了下面的弧形板零件的加工实施过程。

3.1 优化工艺设计

弧形板的加工主要集中在铣削加工方面，需合理安排加工流程，避免因多重因素造成工件变形而影响到后续加工的完成。考虑到弧面曲线的加工，铣削(包括孔的加工)采用五轴联动加工中心，以保证各加工部位的尺寸和位置精度。切削加工时必须选择合理的切削量和使用冷却润滑，同时配以专用夹具，以保证零件批量生产的一致性、互换性。安排去应力的时效处理，以减少残余应力引起的变形。

3.2 加工面的工艺路线安排

工艺设计时，工艺路线的合理安排是最关键的环节，它直接影响到零件的最终质量。该弧形板零件内腔形状复杂，台阶多，截面积形状尺寸变化大，加工中残余应力的控制将直接影响到零件的加工过程。根据此零件加工余量大、内腔形状复杂的特点，采用先加工弧形面的内凹面，再加工外弧面，并在精加工前留余量进行时效处理，尽可能地将变形控制在粗加工阶段，以消除残余应力，再完成后续的精加工，形成最终的特征尺寸。内弧面的加工具体如图3、图4及图5所示。最后完成外弧面的加工。

图3 第1面加工

图4 第2面加工

图5 第3面加工

3.3 定位装夹方式的选择

该弧形板零件毛坯为Φ170 mm × 340 mm棒料加工成长方料，所以内弧面3个部分的加工工件易于装夹，加工也就易于实现。外弧面的加工需在图5第3面(中间凹面)加工中配制一内衬的芯块夹具，在便于装夹的同时，增加了零件整体的刚性。考虑到尽量减少加工外弧面时可能引起的变形对加工过程的影响，应在图5第3面的加工中对该中间凹面的宽度及与之相配的芯块夹具之间的配合尺寸进行严格控制。

3.4 外弧面的加工

该零件加工的难点在于外弧面的加工，外弧面的加工是建立在内弧面加工完成的基础上的，此时零件的整体刚性出现明显的下降。对某局部结构进行加工过程的等效分析发现，单向的加工容易造成零件应力“堆积”而引起变形积聚。因此对加工的顺序进行了调整安排。实践表明，采用往复45°斜向加工的方式能够很好地均化应力而减少变形，其效果是非常明显的。因此针对此零件，制定精加工工艺时，采用往复45°斜向加工的方式，可以有效地控制零件的变形，如图6所示。

图6 外弧面45°斜向加工

外弧面加工的相关程序如下：

0 BEGIN PGM 1111 MM 文件名1111 单位mm

1 BLK FORM 0.1 Z X-165 Y-65 Z-50 定义模拟块

2 BLK FORM 0.2 X+165 Y+65 Z+0

4 TOOL CALL 4 Z S18000;BALL-D10-L40

调用刀具及信息

5 M6 换刀

6 L X-142.415 Y-72.085 Z+50 F5000 M13

初始位置及安全平面

7 L Z-50.751 F5000 下刀

8 L Z-52.751 F4000 开始加工

⋮

1119 L X-141.75 Y-71.634 Z-52.603

斜向45°沿面加工(中段部分)

1110 L X-141.142 Y-71.157 Z-52.337

1111 L X-140.608 Y-70.667 Z-51.96

1112 L X-140.44 Y-70.499 Z-51.813

1113 L X-137.737 Y-67.796 Z-49.523

1114 L X-135.035 Y-65.093 Z-47.312

1115 L X-134.007 Y-64.066 Z-46.496

1116 L X-132.332 Y-62.391 Z-45.172

1117 L X-130.472 Y-60.531 Z-43.741

1118 L X-129.629 Y-59.688 Z-43.101

1119 L X-126.927 Y-56.986 Z-41.097

1120 L X-125.169 Y-55.227 Z-39.827

1121 L X-123.401 Y-53.46 Z-38.581

1122 L X-121.633 Y-51.692 Z-37.353

1123 L X-118.819 Y-48.878 Z-35.46

1124 L X-116.33 Y-46.389 Z-33.835

⋮

119956 L X+0.801 Y+70.743 Z+0.361

45°沿面加工结束

119957 L Z300 F15000 抬刀

119958 X0 Y300M2 加工结束

119959 END PGM 1111 MM 文件结束

3.5 合理选择刀具和切削用量

在切削过程中，通过分配切削余量，合理选择刀具角度和切削用量，来降低切削过程中产生的热量，减少加工过程的热变形现象。

3.6 消除残余应力的热处理

时效热处理可以有效地消除零件加工过程中所积聚的残余内应力，为后续的加工创造有利条件。

4 加工变形控制效果

结合工程实践，对铝合金薄壁弧形板零件加工过程中存在的变形问题进行了分析和实践，提出了一套加工变形整体控制工艺方法。总体思路是把变形控制贯穿于整个加工工艺过程，从工艺编程到现场加工控制，全过程有针对性地调整工艺方法，并通过在线测量等技术检测加工结果，分析加工的变形量并反馈给加工工艺，从而形成加工闭环系统。

全过程加工变形控制的思路同样也适合于尺寸更大、结构复杂、加工周期长、造价昂贵的结构件的加工，它直接决定加工结果。实践表明，应用整体加工变形控制的工艺技术，变形问题得到了很好的解决，零件整体加工精度达到0.2 mm左右，满足了设计要求。

5 结束语

本文结合铝合金薄壁弧形板零件加工变形的控制技术，从整体上考虑零件加工变形控制，从毛坯处理、粗加工到精加工，采取合理措施控制零件变形，保证零件的加工精度。全过程加工变形控制技术全面考虑了零件加工变形控制的每一道工序，这种加工变形的控制方法具有很好的推广应用价值，在其他大型结构件的加工中，这种控制方法能保证零件的加工精度和性能。

[1] 林胜. 铝合金高速切削技术[J]. 航空制造技术，2004(6): 61- 66.

[2] 王金凤. 薄壁铝合金件的高速切削工艺研究[J].制造技术与机床，2006(10): 21-24.

[3] 邵子东，孙杰，贾秀杰. 立铣刀高速加工铝合金铣削力试验研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2007(8):71-73.

[4] 李子君. 高速加工切削参数对零件表面质量影响的工艺分析[J]. 机械制造，2008(3):38-40.

魏 星(1979-)，男，工程师，主要从事电子产品机械结构工艺设计工作。

槐胜丰(1981-)，男，高级工，主要从事数控加工及相关技术研究。

Process and Manufacutre of Aluminum Alloy Thin Wall Curved Plate

WEI Xing，HUAI Sheng-feng

(The36thResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033,China)

A certain antenna pedestal component is made from aluminum and adopts an overall curved structure. It has large size and a very high removal rate in processing. And much of its thin walls is 1～2 mm thin. Therefore factors such as weak rigidity and distortion will impact the overall size accuracy and geometric tolerance of the component. After processing technique analysis, the overall distortion control technique is adopted, which can effectively ensure the size accuracy, geometric tolerance and product quality.

thin wall；weak rigidity；residual stress；distortion

2013-11-29

TN820.8+2

A

1008-5300(2014)01-0040-04