精密方形框架加工工藝

白雪坤

成都劍澗優能航空設備制造有限公司 四川成都 610213

1 序言

鋁合金是最廣泛應用于航空航天、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。

2 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。

圖1 隱蔽型無人機精密旋轉攝像頭

圖2 旋轉攝像頭內部結構和組成部分

3 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。

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φ12+0.011+0mm水平通孔及端面、φ20+0.015+0mm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性能。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。

4 方形框架加工工藝方案的制定及分析

4.1 第一次開粗

對原始方形毛料進行大余量開粗，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形內腔單邊留余量0.5mm。

圖5 第一次開粗

工藝分析：①去除大余量毛坯，讓產品做初次應力釋放。②之所以不做成封閉性毛坯，是因為考慮切斷后，會因產品局部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）對開粗后毛坯進行四方及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。光刀后U形內腔單邊留余量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，不留余量）。

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，單邊留余量0.2mm。

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工件基體為開粗后基體，基本穩定，后序加工不會出現因加工余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余量（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余量

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

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在同大小的聯接塊上加工四處銷孔，通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。

圖10 制作封閉性假毛坯

具體實施工步方案如下。

1）壓板裝夾，精光封閉后毛坯上平面（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，同樣方法精光封閉后毛坯另一平面，去除聯接后平面的高度差，形成一個平面，同時加工U形內腔，U形內腔單邊留余量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）再次通過銷釘聯接在一起，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（即時效后狀態，工件基體較穩定），由于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，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，第一種為聯接后的剛性變形；第二種為加工后的應力變形。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，配合采用圖13所示高精度探頭表針進行檢測。加工順序為：找正四方基準→粗鏜→檢測位置→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：之所以不在五軸聯動數控機床上一次性加工完成，是因為要求五軸聯動數控機床的回轉精度在0.005～0.01mm，但是在實際加工中，回轉精度在0.005～0.01mm的機床并不多見。

4.7 去除兩側工藝料頭

線切割去除工件兩側工藝料頭（見圖14），單邊留余量0.2mm。

圖14 線切割去除工件兩側工藝料頭

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。

4.8 精銑外形

制作內部填充工裝（見圖15），精銑工件外形（見圖16）至達到尺寸要求。

圖15 內部填充工裝

圖16 精銑工件外形

工藝分析：①由于7075鋁合金強度高，遠勝于軟鋼，因此材料穩定性較好。又由于工件的外部余量較少（單邊余量≤0.3mm），大部分余量已經在前工序消除，所以單純地去除少許余量不會造成變形。②工裝做內部填充，保證工件在加工過程中的剛性，避免工件產生變形。

5 結束語

上述為鋁合金結構件方形框架的整個工藝過程。針對毛料加工的關鍵技術難點，圍繞如何控制工件變形和消除工件變形，制定工藝方案并采取預防措施。該產品的研發成功，材料特性也起到了關鍵作用。好的工藝思路在于在前進中不斷地摸索、在失敗中不斷地總結經驗，深入研究并持續改進。