3A21—F鋁合金板材在數控加工中防止變形的工藝措施

摘要：針對3A21-F鋁合金板材在數控加工中的變形情況，從材料和零件的結構特點入手，分析了電子工業中的鋁合金板材在數控加工中產生變形的原因和機理，提出了一套較為完善的控制鋁合金中厚度板加工變形的工藝措施。

關鍵詞：3A21-F鋁合金 應力變形 對稱銑削 區域加工

1 概述

電子工業中用于安裝印制板的機箱多為板式拼裝結構，并且由于電子設備往往有電磁屏蔽的要求，故需采用整體真空釬焊機箱，該種工藝方法要求機箱拼裝后的零件間隙小于0.1mm，因此真空釬焊機箱的材料選用釬焊性能最佳的防銹鋁合金3A21-F。這種材料的特點是強度不高，耐蝕性好，焊接性能良好，特別是釬焊性能極佳，但塑性高，可切削性能不良，易粘刀。且一般由于某些產品的重量要求，該類零件的底部厚度通常為2～3mm，上面有許多安裝印制板用的凸臺和凹槽，且槽臺的方向多為一致，其結構特點如圖1所示。

圖1 零件的結構外形圖

由于材料本身的特點和特殊的結構形式，如果加工方法不當，這類零件加工后會出現較大的變形，一般加工1500mm×350mm的零件，其彎曲變形程度可達1～2mm，嚴重影響了釬焊機箱的拼裝精度，焊接質量無法保障。鑒于以上情況，經過多次的工藝驗證，分析出了產生變形的原因和機理，并找到了控制變形的工藝措施，較好地解決了防銹鋁合金3A21-F在數控加工中的變形問題，為加工印制板固定板這類零件提供了一套較為完善的工藝方法，可有效地將平面度控制在0.1mm以內，滿足了釬焊機箱的整體裝配要求。

2 產生變形的主要原因和特點

釬焊機箱用的印制板固定板多為15mm厚的軋制鋁合金3A21-F，屬于中等厚度的板材。軋制是錠坯依靠摩擦力被拉進旋轉的軸輥間，并借助于軸輥施加的壓力，使其橫斷面減小，厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程，如圖2所示，

圖2 軋制成型過程圖

在金屬變形的過程中會產生一定的加工硬化，沿著軋制方向會產生分布不均的組織應力。由于軋制工藝的特點，通常會在板材的表面產生拉應力，內部產生壓應力，并且表面的拉應力要遠大于內部的壓應力，其應力的分布方向與軋制的方向有關，其應力分布情況如圖3。

圖3 材料內部應力分布示意圖

另外由于該類零件的結構特點，一面為平整面或帶有較淺的均勻散熱槽，另一面則帶有較多的印制板安裝槽，因此會造成兩面去除的材料不等，去除材料較多的一面，拉應力層會被破壞嚴重，產生如圖4所示的上拱變形。

圖4 加工后的變形情況

3 控制變形的工藝措施

3.1 正確選擇材料紋向

由于內應力的分布方向與軋制的方向有關，其內應力的方向主要是沿著軋制的縱方向分布的，因此材料的縱紋向延伸率比垂直紋向延伸率要大很多，并且零件上的凸臺還有加強筋的作用，抵抗沿凸臺方向的變形能力較強，因此在下料時就應嚴格規定材料的縱紋向應與凸臺的縱方向相同。

3.2 對稱銑削

如果銑削零件時兩面去除的材料相差較大，那么材料去除多的一面拉應力層破壞較為嚴重，材料去除較少的一面拉應力層破壞較小，零件會彎向拉應力較大的一側，產生如圖4所示的彎曲變形。因此加工時應盡量采取對稱銑削去除余量的方式，并合理利用反應變的機理，根據零件的結構特點來分布兩面的加工余量。具體的工藝措施是，首先加工無凸臺的一面，見光即可，留出足夠的加工余量，再加工有凸臺的一面，表面見光后加工出所有的凸臺和印制板插槽，最后再加工掉無凸臺一面的剩余余量，達到零件厚度尺寸，這樣可有效地避免零件的上拱變形。

3.3 區域加工

對于尺寸較大的印制板固定板，彎曲變形量會更為明顯，此時可采用區域加工的辦法。當固定板長度尺寸大于400mm時，在加工有凸臺的一面時，可先將固定板分割成若干塊，如圖5。

這樣就有效地割裂了板材的應力帶，避免了材料內應力對零件整體的影響。但割斷后在銑削加工時應仍采用層優先的加工方法，逐層地加工分裂開的區域，這種加工方法對防止尺寸較大的印制板固定板變形問題十分有效。

3.4 刀具和切削用量的選擇

由于防銹鋁合金3A21-F本身的塑性較高，特別是隨著加工時的溫度升高，刀具在高溫高壓下，與零件切削界面摩擦力很大，容易粘刀。因此切削刀具宜選取較大的前角，保持刃口足夠的鋒利，同時還應選取較大的后角，以減少后刀面與工件的摩擦。由于材料的塑性高，粘度大，相對硬鋁而言，切削用量都應取的略小些。特別是切削深度對變形的影響很大，在切削過程中，刀具會對材料產生一個向上的拉力，特別是加工到零件的中央部位時，不僅易使零件產生上拱的趨勢，還會嚴重影響零件的表面粗糙度，甚至會發生“掉刀”的現象。此外，在進行切削加工的過程中為了降低切削溫度和減小摩擦力，還應選擇合適的冷卻液，對零件進行充分的冷卻和潤滑。

4 結論

采取以上的工藝措施可有效地防止印制板固定板彎曲變形，能夠將這類零件的平面度控制在0.1mm以內，為電子工業中釬焊機箱的數控加工提供了一套較為完善的工藝方案，提高了整體的拼裝精度，滿足了機箱的釬焊要求。

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作者簡介：

張昆（1978-），男，遼寧綏中人，工程師，研究方向為機械工藝與數控加工。