利用时效处理控制薄壁件的变形

■昆明船舶设备研究试验中心 （云南 650106） 王 亮■昆明高级技工学校 （云南 650218） 涂莉娟

利用时效处理控制薄壁件的变形

■昆明船舶设备研究试验中心 （云南 650106） 王 亮
■昆明高级技工学校 （云南 650218） 涂莉娟

摘要：本文主要讨论利用不同温度与不同作用时间的组合，进行金属的时效处理。经过此工艺方法加工的零件，加工精度相当稳定，各公差、表面粗糙度均满足图样要求。

1. 零件结构

我单位自行研制的某型水下设备的机械加工生产过程中，其中有一零件为回转体类铝合金零件（见图1）。此零件属于薄壁难加工零件，该零件的变形情况尤为突出，以至于加工尺寸的报废率较高。为此做了许多次工艺改进，主要改进项目为金属低温时效处理的组合关系。加工合格率由原来的15%提高到现在的90%。零件均能达到图样相关的精度要求。

2. 零件加工工艺分析

该零件加工的技术难点在于：

（1） 材料为7A09铝合金，此材料硬度较高，切削加工时的切削阻力较大，相应的热变形也会影响到零件的加工质量。

（2）此零件主要进行外圆与内孔的车削加工。由于壁厚较薄，最薄之处只有1mm。薄壁面积约占总面积的49%，因此工件的残余应力释放较强。由于系统刚度较差，加工变形量就会变大。

（3）在车削加工过程中，由于受到卡盘的夹紧力、车削力、

材料残余应力和热变形的共同作用，会同时影响零件的加工精度。

（4）此零件精加工时，需要相应的夹具进行辅助保护装夹后，再精加工内孔各尺寸。

此零件为单件少量生产，为保证加工精度与质量，工艺与机加人员经过多次摸索试验，不断改进加工工艺方法，最终解决了以上技术难点，完成了生产任务。现将完善的工艺过程介绍如下。

图1

3. 加工工艺方案的确定

（1）粗加工。具体加工方案为：利用φ60mm、7A09铝合金棒，车削外径为φ57.00mm，切断后车端面保证长度为117mm，钻4个φ5.3mm孔，孔深25mm（见图2）。

图2

刀具选择肯纳牌机夹车刀，刀片型号为VBGT160404HP ，刀片材质为KC5410，前角约为13°，后角为7°，主偏角为60°，刀尖圆弧为r0.4mm。

冷却方式为切削液连续冷却。

粗车切削参数如表1所示。

表1　粗车切削参数

由于整个加工过程中都会产生一定的加工内应力，分布于整个零件中。对于此类薄壁零件，由于内应力的存在，使得整个零件的变形情况尤为突出。因此在后续的加工之前消除内应力，是保证加工质量与尺寸精度的关键工序与必要措施。经过多次试验与比较，我们总结了消除内应力的简单方法就是低温时效处理。具体方法为：将零件放置于加热炉内，随炉升温至160℃，保温8h后，再随炉冷却至室温。为确保优良的加工质量，将时效处理分别安排在粗车后、半精车1后及半精车2后各进行一次，共3次时效处理，达到消除内应力的目的。

粗加工后的时效处理参数如表2所示。

图3

表2　时效处理参数

（2）半精车1。将第一次时效处理完成后的零件再次进行半精车1的加工（见图3）。此次加工的目的是在精加工前去除较多的材料，并留有一定的加工余量，同时再进行第二次时效处理，逐步消除内应力。

刀具选择肯纳牌机夹车刀，刀片型号为VBGT160404HP，刀片材质为KC5410，前角约为13°，后角为7°，主偏角为60°，刀尖圆弧为r0.4mm。冷却方式为切削液连续冷却。

半精车1切削参数如表3所示，时效处理参数如表2所示。

表3　半精车1切削参数

（3）半精车2。再次进行半精车2的加工，此次加工是精加工前的最后一次半精加工，加工完毕后如图4所示。

此次加工为精加工留有均匀而且较小的加工余量，并进行两次不同温度和冷却方式的低温时效处理，以彻底消除内应力，防

止精加工时变形的发生。

根据以往的加工经验，假如这次的时效处理方法与上两次一样时，零件精加工后，尺寸φ53+0.030mm、φ51+0.030mm因为内应力的存在，会导致尺寸精度达不到图样的要求，以致工件报废。所以在半精车2后使用如表4所示的处理方法，进行时效处理，达到了彻底消除内应力的目的，保证了精加工后合格品的完成。

图4

表4　半精车2后的时效处理参数表

半精车2的切削参数如表5所示。

表5　半精车2切削参数

（4）精加工。以上的半精加工、时效处理完成后，将要进行车削精加工。其加工的主要步骤为：先加工外圆φ55+0.050mm到位，然后利用辅助夹套（见图5）。

图5

夹持外圆部分装夹于车床卡盘上，零件伸出夹套长35m m（见图6）。利用百分表找正工件外圆的跳动量小于0.03mm，方可进行车削加工。同时保证2-φ53+0.030mm、2-φ51+0.030mm以及其余相关尺寸。

图6

刀具选择肯纳牌机夹车刀，刀片型号为VBGT160404HP、刀片材质为KC5410，前角约为13°，后角为7°，主偏角为60°，刀尖圆弧为r0.4mm。

冷却方式为切削液连续冷却。

精车切削参数如表6所示。

表6　精车切削参数

最后车削成形，完成了所有工序的加工。在此需要注意的是，此道精加工时的主轴转速较高，切屑为碎颗粒状，极其容易产生大面积的飞溅。机床操作者一定要穿戴好防护衣、护目镜等防护措施后再进行操作。

4. 结语

上述薄壁零件的加工工艺方法，经多次摸索与改进才得以实现。其关键在于低温时效处理的时间点、温度的控制措施以及冷却方式的选择。经过此工艺方法加工的零件，加工精度相当稳定，各公差、表面粗糙度均满足图样要求。希望本文能对薄壁零件的加工提供一些思路与方法。

参考文献：

[1] 周晓红. 数控加工工艺与设备[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[2] 尚建伟. 数控加工工艺与编程[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

专家点评

介绍薄壁类零件加工的文章很多，多数都是从夹具和辅助支撑入手。本文的创新之处在于利用时效处理控制铝合金薄壁零件的变形，通过三次低温时效的时间点和温度控制，在后续加工之前消除内应力。不同加工阶段的时效处理参数表是文章的精华，对读者有很大的帮助。

收稿日期：（20150227）