薄壁件一加工就变形？这套7075铝合金控形方案太稳了

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编者按

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序言

一

随着公司的发展，产品种类越来越丰富，加工精度要求也越来越高。在以往的加工中，大型结构件的尺寸公差和几何公差一般要求为±0.05mm，近年来公司承接的结构件的尺寸公差基本要求为±0.03mm。针对弱刚性铝合金薄壁件的加工，从工艺方案、装夹方式和刀路规划三方面着手进行改进^[1]，可有效控制零件的变形。

弱刚性铝合金薄壁件如图1所示，材料为7075铝合金，零件长度为282mm，宽度为175.5mm，主体厚度为31mm，加工成形后零件最薄壁厚为2mm，两支撑腿间距尺寸公差为±0.03mm，安装面的尺寸公差为±0.03mm。由于零件的材料去除率达95%以上，零件两支撑腿之间处于开口状态，因此该零件属于典型的弱刚性薄壁件，零件的加工难点就在于两支撑腿的变形控制，根据公差要求，该零件加工后的变形量必须控制在0.05mm以内，零件一旦变形，所有关键尺寸都将超差，导致零件报废。

图1  弱刚性铝合金薄壁件

针对加工难点，从以下几个方面进行分析。

（1）工艺要求　按照以往的加工经验，对零件进行3次过程时效处理。第1次均匀开粗，留余量3mm进行时效处理；第2次均匀开粗，留余量2mm进行时效处理；第3次均匀开粗，留余量1mm进行时效处理。

（2）装夹方式　根据零件结构形式，应做到以下几点：①装夹时，零件不能受外力。如果受外力固定装夹，那么一旦装夹力撤掉，零件就会发生回弹变形。②零件装夹接触面积必须足够大，特别是两支撑腿处。③零件装夹必须满足基准统一的原则。由于零件所有面都需要进行加工，需要多次装夹，因此必须设定好统一的基准。

（3）刀具路径规划　合理的刀具路径可以显著降低零件加工过程中所受的切削力。

4.1 释放内部应力

加工过程中以特殊工艺要求为准进行3次时效处理^[2]，充分释放零件材料内应力，需要注意的是在第2次和第3次开粗时，要对零件装夹受力情况进行控制，利用扭矩扳手，控制零件装夹力＜15N。

4.2 创新装夹方法

精加工时，以图2所示红色面为安装定位面，利用302胶水将工件固定在工装板上（见图3）。根据零件的外形角度，在工装板上设定同样角度、高度为1mm的V形限位台（见图3黄色部分），可有效限制工件的5个自由度，实现有效定位。装夹时使工件左右两斜边与工装上的V形限位台贴紧，之后在工件与工装接触边缘涂抹302胶水进行固定，装夹完成后，将零件外形尺寸及方形空腔加工至达到设计要求。

图2  安装定位面示意

图3  工件固定在工装板上

以同样的方式翻面装夹，加工零件的反面，保证总厚度尺寸。这样工件的6个面已全部加工完成，只剩下内腔未加工，这时要进行第3次装夹，为保证零件装夹有足够的强度，需要设计工装，确保最大装夹接触面积。

4.3 制作专用工装

由于零件尺寸大，如果内腔加工工装制作成一体式，则会浪费大量的工装材料，因此考虑制作成分体式。内腔加工工装如图4所示，由工装件1、工装件2和工装件3组成。由于零件的外形尺寸已经加工到量，因此按照零件外形单边扩大0.06～0.10mm来加工工装，保证零件能够顺利放入，两侧面和底面贴紧工装面。零件放入工装后，先用适当重的物品压紧零件，再用302胶水进行粘接。零件弱强度孔如图5所示，孔1和孔2处是该零件最容易变形的地方，需要对这两处增加强度。待302胶水凝固后，可以将金刚泥或防火泥塞入孔1和孔2中，假如没有这些物品，也可将浸水卷紧的湿毛巾塞入，这样既能增加零件的强度，又能防止在加工过程中产生共振^[3]。

图4  内腔加工工装

图5  零件弱强度孔

4.4 优化加工刀路

内腔整体加工刀路如图6所示，内腔加工刀路局部放大如图7所示。首先加工刀路要沿着零件的长度方向做往复运动，避免横向移动，始终保持加工切削力在一个方向上；其次要减少刀路中的拐角，从而避免切削过程中瞬时力增大，可保证切削力全过程均匀^[4]。利用五轴联动机床加工，通过缩短加工刀具悬伸长度，可以有效提升刀具强度和加工效率，保证加工质量^[5]。

图6  内腔整体加工刀路

图7  内腔加工刀路局部放大

采用以上改进措施后，零件的加工效果如图8所示。对该批次零件进行三坐标全尺寸检测，所有尺寸全部合格，零件变形量可控制在0.03mm以内。

图8  零件的加工效果

随着航天器向轻量化、集成化方向发展，薄壁件、弱刚性零件越来越多，如何控制其加工变形显得尤为重要。本文对弱刚性铝合金薄壁件的加工过程进行综合分析，从工艺方案、装夹方式和刀路规划等方面进行全面优化，设计制作分体式支撑工装，有效控制了零件的加工变形，提升了产品加工质量和效率。

参考文献：

[1] 田培棠，石晓辉，米林. 夹具结构设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，2011.

[2] 王春华，张涛，尹红霞，等. 时效处理对7075铝合金组织与性能的影响[J]. 金属热处理，2017（9）：87-90.

[3] 许发樾. 实用模具设计与制造手册[M]. 北京：机械工业出版社，2001.

[4] 魏杰. 数控技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[5] 王睿鹏. 现代数控机床编程与操作[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2026年第5期29~31页，作者：河南航天液压气动技术有限公司  巩海超，付静，韩华伟，张凯，原标题：《弱刚性铝合金薄壁件变形控制方案》。

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