铝合金化学铣切

北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第1页共17页论铝合金的化学铣切工艺过程摘要化学铣切是一种能使表面形状复杂,加工精度要求高的零件达到加工要求,在特定条件下,对零件腐蚀加工成型的表面处理方法,化学铣切加工已被许多的工业部门所采用,是特种加工工艺之一,他通过化学溶液腐蚀工件预先确定的部分,从而获得所需的加工尺寸和加工工艺精度,是一种无道具,无切削,无应力和无工件之间协调问题的特种加工工艺,本文主要介绍了铝合金材料化学铣切工艺流程及原理，化铣溶液的选择,提高肋宽精度的有效途径,提高化铣壁厚精度的工艺方法,并以贮箱结构减重为例详细介绍了贮箱结构减重化铣的技术难点、槽液配方的优选以及工艺方案的确定。通过对减重化铣的工艺研究，提高了化铣零件的表面质量和腐蚀的均匀性，保证了壁厚和肋宽的尺寸精度，达到了《CZ-2E贮箱结构减重化铣工艺攻关技术协议》的要求，并为CZ-2F贮箱结构的设计提供了技术支持。关键词：化学铣切贮箱结构减重侧切率北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第2页共17页目录摘要.........................................................1目录.........................................................2引言.........................................................4一、化学铣切概述............................................5二、化铣溶液的选择..........................................5三、化铣工艺原理及主要工艺过程...............................7（一）铝合金化铣的基本原理..............................7（二）铝合金化铣的主要工艺过程..........................8四、提高肋宽精度的有效途径...................................8（一）侧切率（侵蚀比）与肋宽精度........................8（二）影响化铣肋宽加工精度的主要因素....................9五、提高化铣壁厚精度的工艺方法..............................11（一）影响壁厚均匀的主要因素...................................12（1）原材料质量严重影响化铣厚度........................12（2）化铣后的凹槽壁厚均匀度差太大......................13（3）网格几何形状及尺寸对壁厚均匀度的影响..............13北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第3页共17页（4）腐蚀条件对壁厚精度的影响..........................13（5）铣切深度对壁厚精度的影响..........................13（二）提高化铣壁厚精度的工艺方法.......................14（1）降低原材料的同板壁厚差............................14（2）优选合适的转动化铣现速度..........................14（3）台阶式减薄腐蚀....................................15（4）采用局部处理进一步提高壁厚精度....................15结论........................................................15参考文献....................................................16结束语......................................................17北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第4页共17页引言化学铣切过程是：将金属零件清洗除油，在表面上涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温或高温固化后进行刻形。将涂覆需要铣切加工部位的保护涂料剥去，然后把零件浸入腐蚀溶液中，对裸露的表面进行腐蚀加工。北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第5页共17页一、化学铣切概述化学铣切（简称化铣），以加工大型、薄壁、型面复杂的立体零件为主要方向，被广泛应用于航天的机翼蒙皮、航天的变截面零件和大型外部承受力的结构件、发动机喷管、海底隧道管及车载压力容器等领域中。虽然在国外整体挤压、数控铣切已基本取代了化学铣切，但在国内用机械加工难以完成的零、部件，仍然采用化学铣切，且化学铣切是加工整体加强结构件的主要工艺方法，由于化学铣切工艺具有加工成本低、效率高、减轻结构重量的特点，再加上铝合金具有接近钛合金、结构钢队的比强度、高的比刚度性能，以及工艺性能优良、成型方便、成本低廉等其它合金所不能比拟的优点，所以，在运载火箭的外部承重壳体中，近60%～80%的零件采用铝合金化学铣切加工的工艺方法。二、化铣溶液的选择CZ-2E贮箱壁板整体壁板是由整块板胚加工而成的，不需要采用连接技术而将蒙皮与隔框等加强部分制成一个整体得加筋板件。鉴于整体壁板结构元件的整体性，可以实现零件的等强度设计，提高结构效率和减轻结构重量。因此，整体壁板结构在航天器薄壁承重结构中具有广阔的应用前景。但也正因为如此，在化铣过程中对化铣厚度的均匀性提出了更高的要求。为了满足CZ-2E贮箱结构减重化铣工艺的使用要求试验共设计了12种北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第6页共17页化铣溶液配方，试验情况见表1。表1，12种化铣溶液配方实验情况配方化铣溶液成分（g/l）加入添加剂后的异常情况化铣情况NaOH（起始浓度）Al+3添加剂表面质量肋条两侧abC1200～25020较粗粗糙2200～250201#40有轻微臭味较细较细3200～250202#403#20致密较细4200～250202#404#20加热搅拌有氨味逸出较细较细5200～250202#405#40致密致密6200～250207#40气味大、气泡多，冒槽严重，腐蚀速度慢较粗较粗7200～250202#408#20致密较细8200～250205#较细较细北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第7页共17页509200～250202#409#5有橡胶气味，冒槽严重，槽液粘度大较细较粗10200～250202#403#209#5同上致密致密11200～250201#403#209#5同上致密致密12200～250202#403#205#40光亮致密光亮致密实验结果表明，5和12配方比较理想，经综合考虑认为，由2#、3#、5#添加剂组合后的配方最合适。采用此配方化铣LD1BCSYu厚板，表面质量好，肋条两侧光滑致密，槽液有较好的整平抛光作用。这三种添加剂易溶于碱溶液中，在高温（100℃左右）条件下不分解、不挥发，槽液的贮存稳定性好，这三种添加剂不属于危险、有毒有害品，化铣过程中也无有害气体产生,如图一。北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第8页共17页图一:新化铣溶液配方化铣的一级壁板三、化铣工艺原理及主要工艺过程（一）铝合金化铣的基本原理在特定条件下，采用适当的保护材料对零件进行局部保护，使非保护部位在化学溶液中发生化学反应而使金属减薄，达到与机械铣切相同的效果成为化学铣切。其基本原理是：金属铝在氢氧化钠溶液中受到化学、电化学腐蚀，它实质上是氢原子被更加活泼的铝原子化学置换的金属溶解过程，其基本化学反应如下面方程式所示：2Al+2NaOH+2H2O=2NaALO2+3H2↑+Q反应为放热反应，并有大量氢气逸出，铝则以偏铝酸钠的形式留于溶液中。（二）铝合金化铣的主要工艺过程工艺流程为：除油——热水洗——冷水洗——碱蚀——热水洗——冷水洗——脱氧——冷水洗——涂胶——固化——刻型——化铣北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第9页共17页——烘干——除胶。前处理对保护涂胶的附着力和腐蚀加工后的表面质量有很大的影响，前期处理包括除油、碱蚀、脱氧、刻型。四、提高肋宽精度的有效途径（一）侧切率（侵蚀比）与肋宽精度与其它机械加工方法不同，化学铣切是用化学腐蚀方法从金属毛料上所规定的部位，在厚度方向去掉金属的。同时，必然会沿着限定性其加工轮廓的防蚀层边沿，向平面宽度方向浸蚀。随着铣切深度h的增加，浸蚀宽度B（即侧切量）也同时不断增加，从理论上讲，这两种增加的速度是相等的，用数学公式表示即为B/h=1。实际上，由于各种不均匀因素的影响，这一恒定关系是不可能保持的，也就是说，随着铣切深度h的增加，侧切量B的大小也在不断的增加，但又以不同规律在变化着。另外，铣切深度h值在同一实际零件的不同部位上并不相等，因而侧切量B的实际宽度尽管在同一零件上也并不相等。如箱体壁板上四周的三角形网格与中间的棱形网格化铣时实测的h和B值就有明显的差别。这足以表明浸蚀宽度B对于铣切深度h有密切依从关系。正是这个对于既定的h值，而实际获得的浸蚀宽度B所产生的大小波动范围，直接确定了化铣零件轮廓加工所获得的准确度。所以，探讨化铣肋宽加工精度，也就在于确定浸蚀宽度B的大小变化范围、变化规律及其影响因素。北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第10页共17页（二）影响化铣肋宽加工精度的主要因素在化铣过程中，一切使得B值大小变化不稳定的因素，都将成为影响肋宽加工精度的因素。现择其主要者简述如下：零件的表面清洗及除油的彻底情况，将直接影响到金属表面与防蚀层之间的粘结力大小及其均匀性。防蚀层的耐蚀稳定性（可靠性）及相应的物理、机械性能，如具有柔软而又必要的强度和韧性。零件材料成分的均匀性及组织的方向性。化铣过程中，各种影响反应的稳定性。如化铣槽液的温度，槽液的浓度高低及不均匀性，氢气与氧化物排出的难易程度以及零件的放置方法、位置、装挂形式（立铣、平铣或转动化铣）等等。化铣样板的制造精度以及刻形手法的误差、方式层厚度的均匀性等。以上这些因素，就其性质而言，可划分为两类：第一类是与腐蚀加工过程直接相关的，如前四项；第二类是与腐蚀加工过程无关的，如样板制造及刻形精度等，这一类的准确度是可以通过一般机械制造的方法来加以确定的。因此我们所着重解决的将是与腐蚀过程直接相关因素的稳定性。表2，实验结果表明，化学铣切的轮廓尺寸加工的准确度问题，关键是控制好侧切率（即浸蚀比）这个综合性工艺参数。但浸蚀比的大小受诸多因素的影响和制约。例如：腐蚀温度对浸蚀比减小。对平行于纤维方向得浸蚀比，70摄氏度与90摄氏度时相比约差0.066；对于垂直于纤维方向的浸蚀比则相差达到0.097.从表3数据看出，化铣溶北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第11页共17页液成分，如碱浓度、铝含量对浸蚀比值的影响更大。为此，我们通过反复试验，总结出一套提高深化铣肋宽精度的切实可行的工艺方案，其要点为：1.改变设计化铣样板的技术条件。申请样板时有意降低斜切率（浸蚀比）；或者要求设计样板时，总厚度（肋高）减小一毫米计算。2.刻形时采用定位孔定位，提高刻形技术，减少手工刻形误差。3.化铣过程中，若肋宽提前达到尺寸，采用喷YXR-H01型胶乳涂料把肋条保护起来。4.对局部肋条进行机械修整。实践证明，这套工艺方案是可行的，并具有不少优点，如不用做浸蚀比不同的多套样板，扩大了槽液成分的适用范围，不用反复调整槽液，提高了生产效率。五、提高化铣壁厚精度的工艺方法（一）影响壁厚均匀的主要因素（1）原材料质量严重影响化铣厚度原材料坑、划伤、压伤、夹杂等缺陷，是LD10厚板就经常存在的问题，对提高化铣均匀度很不利，尤其是材料的同板差问题对减重非常不利。从表3、表4的统计数字可以看出，原材料厚度偏差把化铣公差的大部分或全部都吃掉了。表3，LD10BCSYu18.5板材去掉包铝层的厚度测