3A21—F铝合金板材在数控加工中防止变形的工艺措施

3A21—F铝合金板材在数控加工中防止变形的工艺措施
针对3A21-F铝合金板材在数控加工中的变形情况，从材料和零件的结构特点入手，分析了电子工业中的铝合金板材在数控加工中产生变形的原因和机理，提出了一套较为完善的控制铝合金中厚度板加工变形的工艺措施。

标签：3A21-F铝合金应力变形对称铣削区域加工
1 概述
电子工业中用于安装印制板的机箱多为板式拼装结构，并且由于电子设备往往有电磁屏蔽的要求，故需采用整体真空钎焊机箱，该种工艺方法要求机箱拼装后的零件间隙小于0.1mm，因此真空钎焊机箱的材料选用钎焊性能最佳的防锈铝合金3A21-F。

这种材料的特点是强度不高，耐蚀性好，焊接性能良好，特别是钎焊性能极佳，但塑性高，可切削性能不良，易粘刀。

且一般由于某些产品的重量要求，该类零件的底部厚度通常为2～3mm，上面有许多安装印制板用的凸台和凹槽，且槽台的方向多为一致，其结构特点如图1所示。

图1 零件的结构外形图
由于材料本身的特点和特殊的结构形式，如果加工方法不当，这类零件加工后会出现较大的变形，一般加工1500mm×350mm的零件，其弯曲变形程度可达1～2mm，严重影响了钎焊机箱的拼装精度，焊接质量无法保障。

鉴于以上情况，经过多次的工艺验证，分析出了产生变形的原因和机理，并找到了控制变形的工艺措施，较好地解决了防锈铝合金3A21-F在数控加工中的变形问题，为加工印制板固定板这类零件提供了一套较为完善的工艺方法，可有效地将平面度控制在0.1mm以内，满足了钎焊机箱的整体装配要求。

2 产生变形的主要原因和特点
钎焊机箱用的印制板固定板多为15mm厚的轧制铝合金3A21-F，属于中等厚度的板材。

轧制是锭坯依靠摩擦力被拉进旋转的轴辊间，并借助于轴辊施加的压力，使其横断面减小，厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程，如图2所示，
图2 轧制成型过程图
在金属变形的过程中会产生一定的加工硬化，沿着轧制方向会产生分布不均的组织应力。

由于轧制工艺的特点，通常会在板材的表面产生拉应力，内部产生压应力，并且表面的拉应力要远大于内部的压应力，其应力的分布方向与轧制的方向有关，其应力分布情况如图3。

图3 材料内部应力分布示意图
另外由于该类零件的结构特点，一面为平整面或带有较浅的均匀散热槽，另一面则带有较多的印制板安装槽，因此会造成两面去除的材料不等，去除材料较多的一面，拉应力层会被破坏严重，产生如图4所示的上拱变形。

图4 加工后的变形情况
3 控制变形的工艺措施
3.1 正确选择材料纹向
由于内应力的分布方向与轧制的方向有关，其内应力的方向主要是沿着轧制的纵方向分布的，因此材料的纵纹向延伸率比垂直纹向延伸率要大很多，并且零件上的凸台还有加强筋的作用，抵抗沿凸台方向的变形能力较强，因此在下料时就应严格规定材料的纵纹向应与凸台的纵方向相同。

3.2 对称铣削
如果铣削零件时两面去除的材料相差较大，那么材料去除多的一面拉应力层破坏较为严重，材料去除较少的一面拉应力层破坏较小，零件会弯向拉应力较大的一侧，产生如图4所示的弯曲变形。

因此加工时应尽量采取对称铣削去除余量的方式，并合理利用反应变的机理，根据零件的结构特点来分布两面的加工余量。

具体的工艺措施是，首先加工无凸台的一面，见光即可，留出足够的加工余量，再加工有凸台的一面，表面见光后加工出所有的凸台和印制板插槽，最后再加工掉无凸台一面的剩余余量，达到零件厚度尺寸，这样可有效地避免零件的上拱变形。

3.3 区域加工
对于尺寸较大的印制板固定板，弯曲变形量会更为明显，此时可采用区域加工的办法。

当固定板长度尺寸大于400mm时，在加工有凸台的一面时，可先将固定板分割成若干块，如图5。

这样就有效地割裂了板材的应力带，避免了材料内应力对零件整体的影响。

但割断后在铣削加工时应仍采用层优先的加工方法，逐层地加工分裂开的区域，这种加工方法对防止尺寸较大的印制板固定板变形问题十分有效。

3.4 刀具和切削用量的选择
由于防锈铝合金3A21-F本身的塑性较高，特别是随着加工时的温度升高，刀具在高温高压下，与零件切削界面摩擦力很大，容易粘刀。

因此切削刀具宜选取较大的前角，保持刃口足够的锋利，同时还应选取较大的后角，以减少后刀面与工件的摩擦。

由于材料的塑性高，粘度大，相对硬铝而言，切削用量都应取的略小些。

特别是切削深度对变形的影响很大，在切削过程中，刀具会对材料产生一个向上的拉力，特别是加工到零件的中央部位时，不仅易使零件产生上拱的趋
势，还会严重影响零件的表面粗糙度，甚至会发生“掉刀”的现象。

此外，在进行切削加工的过程中为了降低切削温度和减小摩擦力，还应选择合适的冷却液，對零件进行充分的冷却和润滑。

4 结论
采取以上的工艺措施可有效地防止印制板固定板弯曲变形，能够将这类零件的平面度控制在0.1mm以内，为电子工业中钎焊机箱的数控加工提供了一套较为完善的工艺方案，提高了整体的拼装精度，满足了机箱的钎焊要求。

参考文献：
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张昆（1978-），男，辽宁绥中人，工程师，研究方向为机械工艺与数控加工。