机械加工中的填充物的应用

南京机电液压工程研究中心13分厂

[摘 要]:本文总结了机械加工中填充技术的应用情况,对几种常见的填充物如低熔点合金、石蜡等进行分析,并对其使用范围提出建议.

[关 键 词]：填充薄壁刚性

1.引言

航空航天零件中有一些零件对承力和重量有着较高的要求,为了满足这一要求产生了很多复杂型面、薄壁的零件,这对于装夹和加工都提出了较高的要求,采用常规的工艺方法通常会造成此类零件装夹变形,切削加工时容易产生颤振,严重影响加工精度和表面粗糙度,而且常规方法加工薄壁零件必须留有很大的加工余量,分粗加工、半精加工、精加工等多道工序,为了消除加工应力,控制变形,还要增加多道热处理工序,使得加工周期很长,提高了加工成本.在机械加工过程中,采用对此类零件进行填充的方法,使零件形成一个刚性实体,可以有效降低装夹和加工难度.另外针对一些口部较小内腔较为封闭的零件,填充技术通过对零件口部进行保护,可以避免加工时金属屑进入零件难以清理的腔体内.还有一种就是可以利用填充物对零件进行槽液隔绝保护,控制表面处理的范围.填充物的选择、使用范围研究和加工中注意事项是填充技术在生产中得以应用的关键.

2.填充物

2.1填充物的性能要求

选择填充物需要在性能上满足以下要求：

(1)膨胀系数要小.如充满零件腔内的填充材料在常温下的收缩量要小于零件尺寸公差的1／5.

(2)要有较好的强度和刚性,以确保零件装夹和加工时工艺系统的变形量小于尺寸公差的1／5.

(3)要有良好的可结合性和可脱离性.可结合性指填充物常温固化时与零件之间的具有较好的结合力；可脱离性则指熔化或溶解后的填充物不会残留在零件表面影响其表面质量.

(4)较低的熔点.较低的熔点可以便于实现填充物的状态变化（固态变成液态）,完成填充过程,同时避免零件基体在高温下产生的材料状态变化和表面氧化,同时减小了零件的热变形.需要注意的是,填充物的熔点并不是越低越好,为了避免填充物在工件加工过程中由于切削热而造成熔化,要求所选择的填允物的熔点应不低于60℃.

(5)填充物具有良好的可切削性.填充物的可切削性包括两个方面,一是指可以高效率地切除多余的填充物,二是指切削性能差别较大的填充物和零件基体材料具有较好的混合切削性能.

2.2常用的填充物和使用范围

2.2.1低熔点合金

低熔点合金的成分通常选择熔点较低的常见金属材料,满足使用性能的基础上兼顾经济性,而且要做到对操作者无毒无害.从常见金属材料的低熔点考虑,铅、铋、锡、锑等是比较理想的低熔点合金成分选择：铅的熔点为327.4℃,铋的熔点为271.3℃,锡的熔点为231.9℃,锑的熔点为630.5℃,上述元素根据不同配方可以得到不同性能和用途的合金,如以铋金属元素为主要组成成分的低熔点合金具有热缩冷涨的物理特性,使合金材料具有填充物非常理想的温度特性,将熔融态的低熔点合金灌注填充至零件腔内,冷却后与零件成为整体,可以达到提高零件刚性、减小机械加工变形、保证零件尺寸精度的目的.

以铋金属元素为主要组成成分的低熔点合金推荐采用如下配方：铋(Bi)42．5％,铅(Pb)37．7％,锡(Sn)11．3％,镉(Cd)8．5％,它的主要物理性能如下：熔点70℃～90℃,硬度(HB)9,比重9．47,强度37N／mm2.

零件为单件小批量生产时,低熔点合金熔化的方法一般将其放在金属锅中采用电炉(或电磁炉)加热即可,无需昂贵的设备投入,使用时对零件进行浇铸,类似铸造原理,然后等到冷却至常温固化即可进行加工.回收时将零件整体浸入开水中不断加热,低熔点合金就会不断熔化脱落.随着灌注次数的增加,低熔点合金中一些合金成分损耗,造成合金成分组成发生改变,从而引起低熔点合金熔点变化,因此需要定期对低熔点合金成分及熔点进行检验,并及时更换.

需要注意的是,当低熔点合金和零件进行整体加工时,如低熔点合金也处于切削范围,其切屑会和零件金属屑混杂在一起给回收带来困难,机加现场一般不会进行专门回收,造成了相当的浪费,建议低熔点合金不要浇铸在零件的切削范围,因此比较适合壳体类零件内腔的填充,如某型零件（图1）部分范围按要求进行镀镉,而内部油路需进行隔绝保护,防止使用时镉污染油液,此时就可以在零件腔体内填充低熔点合金控制表面处理的范围.

图1

2.2.2石蜡

石蜡是石油炼制过程中的主要产品,也是很常见的化工、生活用品,纯石蜡是半透明的白色块状物体,不溶于水,强度不高,熔点为54.1℃,通过添加硬脂酸提高其强度,同时将其熔点提高至60℃左右,成为比较合适的填充物.

在浇注石蜡时,将石蜡加热至液态,再将零件稍微预热,用丙酮或酒精清洗干净零件内腔或表面（增加其结合力）、后将液态石蜡浇灌在零件腔内或专用模具内,常温下石蜡缓慢冷却,以免快速冷却时石蜡脱落.在半凝固时除去多余石蜡,采用比零件金属软的工具去除,避免划伤到零件.去除时只需用开水冲即可,不需要特殊工具.

石蜡容易挂附,很适合开放区域,如某型叶轮（图2）叶片外轮廓要求较高的形位公差,原来的加工方案是通过车加工保证叶片外轮廓的形位公差,后进行叶片的铣削加工,因铣削加工造成的变形会影响已经形成的形位公差,但如果铣削后精车加工会因刚性不足产生颤振影响加工精度.采用填充石蜡技术就很好的解决了这一问题,只要做一个浇注模具,使石蜡和零件半成品形成整体（图3）,改进后流程为：半精车→铣加工→浇灌石蜡→精车→除去石蜡.

图2图3

2.2.3尿素

尿素工业或农业用品为白色略带微红色固体颗粒,无臭无味,熔点为131～135℃,水溶性1080g/L（20℃）,随着温度提升,水溶性进一步提高.

尿素的加热熔化和浇灌和石蜡类似,去除时却不用加热去除,只要常温状态下大量的水冲洗即可.

虽然使用尿素充当填充物成本较低,但现在机械加工较少采用尿素作为填充物,因为其在加工时尿素会溶于冷却液,只能采用干切法,而干切削尿素会产生烟尘,影响加工环境和操作者身体健康.

2.2.4其他填充物

有些资料认为石膏、树脂（松香等）也是合适的填充物,但笔者不认同,石膏进行脱离时熔化需要数百度高温,虽然不会改变金属状态,但高温会给零件带来新的变形,影响尺寸精度.松香的熔点较低,但软化状态下的松香流动性不强,不容易进入腔体内部,而且固化后的松香硬而脆,和金属的结合力不足.

在填充细长孔防止金属屑进入腔体时,熔化状态下的低熔点合金和石蜡很容易在口部即固化,不能做到填充深度满足机加要求,此时可以将固态下的肥皂挤入细长孔内,去除时只需在热水内浸泡冲洗.

3.总结

实践证明,在加工过程中引入填充物,可以有效提高薄壁复杂类零件的工艺性,保证其尺寸精度,对于提高合格率和生产效率提供了低成本的解决办法.分析填充物的特性和适用范围有很强的工程实际意义.

4.参考文献

[1]赵天婵,欧阳忠.低熔点合金的成分及其熔点[J].机械工艺师,1996

[2]赵长喜.低熔点合金在复杂薄壁零件制造中的应用研究.航天制造技术.2006（2）

5.作者简介

褚全,男,（1980年10月―）,汉族,中国航空研究院研究生毕业,研究方向为机械加工,工程师职称.