控制和消除鋁合金工件變形難點(diǎn)、要點(diǎn)個(gè)個(gè)擊破

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序言鋁合金是最廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍工及化學(xué)工業(yè)等行業(yè)的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，特別是近幾年來(lái)，在軍工、航空航天業(yè)中的應(yīng)用呈現(xiàn)井噴狀態(tài)，其中結(jié)構(gòu)件成為機(jī)械加工中的主流產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)件的外形結(jié)構(gòu)千奇百怪，精度要求也呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)，其工藝目標(biāo)一直是控制變形、提高精度。下面以無(wú)人機(jī)中的結(jié)構(gòu)件方形框架為例，探討提高鋁合金結(jié)構(gòu)件加工精度的方法。2

隱蔽型無(wú)人機(jī)精密旋轉(zhuǎn)攝像頭結(jié)構(gòu)圖1為隱蔽型無(wú)人機(jī)精密旋轉(zhuǎn)攝像頭，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成部分如圖2所示，其中綠色結(jié)構(gòu)件為方形框架。a）檢測(cè)臺(tái)與旋轉(zhuǎn)攝像頭成品

b）攝像頭局部細(xì)節(jié)展示圖1隱蔽型無(wú)人機(jī)精密旋轉(zhuǎn)攝像頭a）平視視角

b）旋轉(zhuǎn)180°視角圖2旋轉(zhuǎn)攝像頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成部分3

方形框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)圖3為方形框架結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為：①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)組成上看，方形框架為整個(gè)結(jié)構(gòu)的載體。②從輸出精度上看，方形框架為關(guān)鍵精密輸出結(jié)構(gòu)件。a）外形結(jié)構(gòu)

b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3方形框架結(jié)構(gòu)方形框架加工的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析如下。1）圖4為方形框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)力合金之一，其強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能。該產(chǎn)品能夠研發(fā)出來(lái)，材料的特性也起到了關(guān)鍵作用。3）產(chǎn)品實(shí)體聯(lián)接部分壁厚僅為3mm，符合薄壁件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。4）加工時(shí)，在保證產(chǎn)品精度的同時(shí)，如何控制產(chǎn)品的變形顯得尤為重要。4

方形框架加工工藝方案的制定及分析4.1第一次開粗對(duì)原始方形毛料進(jìn)行大余量開粗，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后的毛坯。U形內(nèi)腔單邊留余量0.5mm。a）正視

b）側(cè)視圖5第一次開粗工藝分析：①去除大余量毛坯，讓產(chǎn)品做初次應(yīng)力釋放。②之所以不做成封閉性毛坯，是因?yàn)榭紤]切斷后，會(huì)因產(chǎn)品局部的應(yīng)力集中而導(dǎo)致變形。4.2第二次開粗對(duì)精度要求低的位置加工到位，對(duì)精度要求高的位置做開粗處理。具體實(shí)施方案如下。1）對(duì)開粗后毛坯進(jìn)行四方及U形內(nèi)腔的光刀（為提高工件加工表面質(zhì)量而進(jìn)行的切削加工，即“再精車一刀”），以消除粗加工變形。光刀后U形內(nèi)腔單邊留余量0.4mm。2）對(duì)圖6所示紅色凹槽區(qū)域加工到位（即產(chǎn)品本身區(qū)域到位，不留余量）。圖6紅色凹槽區(qū)域加工到位3）對(duì)圖7所示三處紅色套孔區(qū)域進(jìn)行開粗，單邊留余量0.2mm。a）仰視

b）俯視圖7三處紅色套孔區(qū)域開粗工藝分析：①此時(shí)的毛坯剛性滿足裝夾要求。②工件基體為開粗后基體，基本穩(wěn)定，后序加工不會(huì)出現(xiàn)因加工余量過多而產(chǎn)生大變形。4.3第三次開粗用線切割方式去除工件外形余量（見圖8），線切割去除左右兩側(cè)毛坯（見圖9），兩側(cè)留出可以?shī)A持的工藝料頭。圖8用線切割方式去除工件外形余量圖9線切割去除左右兩側(cè)毛坯工藝分析：線切割加工本身產(chǎn)生的熱量較少，能夠有效地減少基體變形。4.4時(shí)效處理對(duì)工件進(jìn)行時(shí)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(shí)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(nèi)應(yīng)力。②穩(wěn)定工件基體組織。4.5基準(zhǔn)精加工及方法制作封閉性假毛坯（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(lián)接塊上加工四處銷孔，通過銷釘將工件與聯(lián)接塊聯(lián)接在一起（見圖10c），形成封閉性假毛坯。a）現(xiàn)有毛坯狀態(tài)b）在毛坯前端面加工四處銷孔c）通過銷釘將工件與聯(lián)接塊聯(lián)接在一起圖10制作封閉性假毛坯具體實(shí)施工步方案如下。1）壓板裝夾，精光封閉后毛坯上平面（即工件兩側(cè)工藝料頭上平面及聯(lián)接塊上平面），去除平面的高度差，形成一個(gè)基準(zhǔn)平面。2）翻面壓板裝夾，同樣方法精光封閉后毛坯另一平面，去除聯(lián)接后平面的高度差，形成一個(gè)平面，同時(shí)加工U形內(nèi)腔，U形內(nèi)腔單邊留余量0.05mm。3）拆分封閉性假毛坯，目的就是釋放工件的內(nèi)部加工應(yīng)力。4）虎鉗裝夾工件兩側(cè)工藝料頭，見光平面，且在同位置擴(kuò)大工件端面的四處銷孔。5）虎鉗裝夾聯(lián)接塊，見光平面，且在同位置擴(kuò)大聯(lián)接塊端面的四處銷孔。6）再次通過銷釘聯(lián)接在一起，壓板裝夾再次執(zhí)行工步1）和工步2），在此基礎(chǔ)上精光四方基準(zhǔn)，U形內(nèi)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(yàn)結(jié)果：第一次取下聯(lián)接塊，變形及收縮量為0.03mm；第二次取下聯(lián)接塊，變形及收縮量?jī)H為0.005mm。工藝分析：①圖10a為現(xiàn)有毛坯狀態(tài)（即時(shí)效后狀態(tài)，工件基體較穩(wěn)定），由于要想完成三處關(guān)鍵部位的最終加工，首先就要完成工件的基準(zhǔn)加工，但是敞開式毛坯的缺點(diǎn)就暴露出來(lái)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，制作封閉性假毛坯。②封閉性假毛坯制作后，必須著手消除兩種變形，第一種為聯(lián)接后的剛性變形；第二種為加工后的應(yīng)力變形。同時(shí)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(chǎn)生的應(yīng)力集中。4.6三處套孔及端面的精加工在基準(zhǔn)加工過程中，圖11所示紅色端面已經(jīng)加工到位，找正基準(zhǔn)分別加工其余三處套孔及端面。加工方法為：虎鉗裝夾厚度方向，且鉗口夾滿（同時(shí)夾持聯(lián)接塊與工藝料頭），基準(zhǔn)找正工件0.005mm以內(nèi)，分別完成圖12所示三處紅色套孔及端面的加工。加工中，配合采用圖13所示高精度探頭表針進(jìn)行檢測(cè)。加工順序?yàn)椋赫艺姆交鶞?zhǔn)→粗鏜→檢測(cè)位置→精鏜。

圖12三處紅色套孔及端面的加工圖13高精度探頭表針工藝分析：之所以不在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上一次性加工完成，是因?yàn)橐笪遢S聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度在0.005～0.01mm，但是在實(shí)際加工中，回轉(zhuǎn)精度在0.005～0.01mm的機(jī)床并不多見。4.7去除兩側(cè)工藝料頭線切割去除工件兩側(cè)工藝料頭（見圖14），單邊留余量0.2mm。圖14線切割去除工件兩側(cè)工藝料頭工藝分析：線切割加工本身產(chǎn)生的熱量較少，能夠有效地減少基體變形。4.8精銑外形制作內(nèi)部填充工裝（見圖15），精銑工件外形（見圖16）至達(dá)到尺寸要求。圖15內(nèi)部填充工裝a）正視

b）側(cè)視圖16精銑工件外形工藝分析：①由于7075鋁合金強(qiáng)度高，遠(yuǎn)勝于軟鋼，因此材料穩(wěn)定性較好。又由于工件的外部余量較少（單邊余量≤0.3mm），大部分余量已經(jīng)在前工序消除，所以單純地去除少許余量不會(huì)造成變形。②工裝做內(nèi)部填充，保證工件在加工過程中的剛