廖慧慧　陳繼寧

摘 要：為提高某型號(hào)薄壁長(zhǎng)筒鑄鋁合金艙體外圓機(jī)加工及檢測(cè)精度，研究分析了材料熱膨脹性能、加工中的熱變形、檢測(cè)中的環(huán)境溫度等影響艙體尺寸的因素，并通過(guò)大量工藝試驗(yàn)摸索艙體熱變形規(guī)律，提出溫度補(bǔ)償表應(yīng)用的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：鑄鋁合金；薄壁艙體；機(jī)加工；熱變形；補(bǔ)償表

1 引言

ZL201是目前工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的高強(qiáng)度鑄造鋁合金，其比重小而機(jī)械加工及表面處理性能優(yōu)良，在室溫和高溫下具有較好的拉伸性、塑性和沖擊韌性，因此主要以大型鑄造受力結(jié)構(gòu)件形式廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但ZL201較大的膨脹系數(shù)也導(dǎo)致其在加工和使用中尺寸穩(wěn)定性受溫度影響較大，使產(chǎn)品制造和使用的經(jīng)濟(jì)性降低。本文通過(guò)對(duì)某薄壁長(zhǎng)筒鑄造鋁合金艙體的加工質(zhì)量提升進(jìn)行工藝攻關(guān)，經(jīng)大量工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握該艙體加工精度受溫度因素變形的規(guī)律，為后續(xù)該類產(chǎn)品熱變形補(bǔ)償加工提供了借鑒。

2 零件外形特點(diǎn)及研制情況簡(jiǎn)介

某型號(hào)鑄造鋁合金艙體是該型號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如圖1所示，艙體的長(zhǎng)徑比較大，壁薄，外圓尺寸及外圓與兩端面垂直度公差要求均較高。前期通過(guò)對(duì)零件在加工中存在的易變形、易振動(dòng)、零件尺寸及表面粗糙度不易保證等技術(shù)難點(diǎn)采取一系列工藝攻關(guān)措施，已經(jīng)有效解決了該零件的一系列車削加工難題。零件加工時(shí)刀具和切削參數(shù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證完全適合加工，加工過(guò)程中測(cè)量值與加工情況相符，但零件進(jìn)入最終產(chǎn)品檢測(cè)得出的數(shù)值與加工過(guò)程中檢測(cè)的數(shù)值有很大偏差。

在客戶對(duì)該艙體進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，有20件外圓尺寸φ380±0.05超差，實(shí)測(cè)為：φ379.83～φ379.94，均為超下偏差，由于該尺寸超差，造成大量艙體報(bào)廢。

3 影響因素分析

3.1 零件材料元素組成與物理特性影響分析

艙體的材料代號(hào)：ZL201 GB/T1173-1995，其金屬牌號(hào)為ZAlCu5Mn，其化學(xué)成分如表2所示。

其中各元素的作用為：

Zn：和鎂同時(shí)存在以提高機(jī)械加工性能；Mg：提高耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，改善機(jī)械的加工性，降低比重；Cu：與固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化有關(guān)，提高高溫強(qiáng)度，提高機(jī)械的加工切削性；Mn：提高高溫強(qiáng)度，減少鐵的弊端；Ti：細(xì)化晶粒，改善伸縮性能，提高機(jī)械性能，提高耐熱性，防止熱斷裂；Zr：細(xì)化晶粒，提高耐熱性，防止熱斷裂；Fe、Si：雜質(zhì)[1]?？梢?jiàn)，ZL201屬于高強(qiáng)度鋁.銅系鑄造合金，該化學(xué)元素組成在一定程度上決定了其物理性能，該合金強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、剛性大，經(jīng)過(guò)固溶處理加自然時(shí)效（T5）后，布氏硬度（HBW）為90，抗拉強(qiáng)度為335MPa，伸長(zhǎng)率（A）為4%，在0～100°C時(shí)線膨脹系數(shù)a為0.238×10-4，是普通碳鋼（a=0.106×10-4）的兩倍左右[3]，這么大的膨脹系數(shù)導(dǎo)致其尺寸在加工和檢測(cè)中穩(wěn)定性容易受到溫度變化影響。

3.2溫度因素分析

零件熱變形主要由切削熱導(dǎo)致，其熱變形情況和加工方法與受熱是否均勻有關(guān)。當(dāng)零件均勻受熱，冷卻至室溫，零件的直徑和長(zhǎng)度都會(huì)有所收縮，產(chǎn)生一定的尺寸誤差；隨著進(jìn)一步的切削加工，零件的溫度會(huì)逐漸升高，表面切去的金屬層也越來(lái)越厚，受熱不均勻，冷卻后不但會(huì)產(chǎn)生圓柱度誤差，并且會(huì)產(chǎn)生徑向尺寸誤差[3]。而該艙體加工機(jī)床沒(méi)有冷卻系統(tǒng)，在加工時(shí)，由于沒(méi)有冷卻液對(duì)艙體進(jìn)行冷卻，雖然大部分切削熱被切屑帶走，但還有少部分切削熱是靠艙體的自身傳導(dǎo)進(jìn)行散發(fā)。

另外一個(gè)因素是生產(chǎn)廠房溫度，該艙體加工車間非恒溫加工車間，廠房的溫度在夏季與冬季就有約30°溫差，會(huì)較大地影響零件測(cè)量的真實(shí)值。對(duì)該艙體加工過(guò)程進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該尺寸測(cè)量為臨床測(cè)量，原因?yàn)樵摮叽缇纫蟾?，而且外圓和端面要求一次裝夾加工完成，如果不在機(jī)床上測(cè)量，下機(jī)床后一旦出現(xiàn)尺寸超差，再次上機(jī)床返修加工，找正非常困難。因此加工中測(cè)量是與加工穿插進(jìn)行的，零件加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量切削熱雖然被鋁削帶走，但零件溫度不會(huì)立即降到最終測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)件的溫度，而艙體驗(yàn)收時(shí)的溫度為常溫，也就是加工測(cè)量時(shí)零件溫度高，驗(yàn)收時(shí)零件溫度低，因此兩次測(cè)量得到的值存在偏差。

4溫度補(bǔ)償技術(shù)理論分析及應(yīng)用

4.1熱變形理論公式

通過(guò)以上分析，按影響因素查閱資料得到由零件測(cè)量直徑尺寸，零件溫度值，測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)件（量具）溫度值，零件膨脹系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件（量具）材質(zhì)膨脹系數(shù)對(duì)直徑測(cè)量變化量之間的函數(shù)關(guān)系公式：

△ =（（ - ）* -（ - ）* ）*

公式中： △ -直徑的變化； -零件溫度； -零件的膨脹系數(shù)； -標(biāo)準(zhǔn)件（量具）的溫度；

-標(biāo)準(zhǔn)件（量具）的膨脹系數(shù)； -測(cè)量直徑的尺寸[2]。

根據(jù)上面的公式，現(xiàn)場(chǎng)加工中零件的直徑尺寸應(yīng)該為L(zhǎng) +△L ，當(dāng)△L 為負(fù)值時(shí)，零件的直徑尺寸會(huì)變小，當(dāng)△L為正值時(shí)零件的尺寸會(huì)變大。

4.2 艙體溫度補(bǔ)償表建立

由于溫度有一個(gè)變化范圍，操作工人不可能在每次測(cè)量后都進(jìn)行一次繁瑣的計(jì)算，為了方便直接應(yīng)用，隨時(shí)查看變化量，根據(jù)公式： L+△L = L+（（C1 -20 ）* B1-（ C2-20 ）*B2 ）*L =380+（（C1 —20）*0.238×10-4 一（C2 —20）*0.117×10-4 ）*380 制作了Excel表格，稱為溫度補(bǔ)償表，見(jiàn)表3，表格里編輯了計(jì)算需要的每個(gè)元素以及計(jì)算公式。該表格已經(jīng)將需測(cè)量的外圓尺寸及對(duì)應(yīng)的材料膨脹系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)件（量具）的膨脹系數(shù)設(shè)為常量，而由于標(biāo)準(zhǔn)件熱膨脹系數(shù)較小，可近似為加工現(xiàn)場(chǎng)室溫。因此在使用時(shí)僅需測(cè)量零件溫度及加工室溫，即可查找到對(duì)應(yīng)的理論艙體外圓尺寸，按該值進(jìn)行±0.05控制加工精度即可。該Excel表格也適用于其他材料零件，使用時(shí)僅需在表格中更改需測(cè)量的零件尺寸和零件材料膨脹系數(shù)即可[4]。

若加工條件有限，沒(méi)有測(cè)量艙體溫度的溫度測(cè)量計(jì)，就需將艙體加工后冷卻至室溫，此時(shí)艙體溫度與室溫一致，僅需用常用的溫度計(jì)即可測(cè)得零件與室溫溫度，同樣按補(bǔ)償表查找相應(yīng)尺寸值即可。當(dāng)零件溫度和標(biāo)準(zhǔn)件溫度（室溫）都是20℃時(shí)，零件的尺寸不會(huì)發(fā)生變化。

有了溫度補(bǔ)償表大大方便了溫度補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際加工中的應(yīng)用，條件允許的情況下，最好采用精度為O.5℃的溫度測(cè)量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)件的溫度測(cè)量完成后就可以通過(guò)表格查找出直徑的變化量，然后根據(jù)變化量補(bǔ)償加工零件。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1溫度補(bǔ)償表可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱變形對(duì)艙體尺寸的影響及溫度補(bǔ)償表可靠性，抽2臺(tái)艙體按照正常的加工流程進(jìn)行加工和測(cè)量，對(duì)比剛車完在機(jī)床上測(cè)量和下機(jī)床5h讓零件充分冷透后的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比情況見(jiàn)表4。

冷透的艙體約為常溫20°，標(biāo)準(zhǔn)件（量具）溫度約為室溫20℃，剛車完在機(jī)床上測(cè)量的零件艙體溫度約為30°C。按補(bǔ)償表查，零件尺寸應(yīng)為φ380.090，故在機(jī)床上測(cè)量（30°C時(shí)）和下機(jī)床5h后（常溫20℃時(shí)）測(cè)量結(jié)果理論上相差0.090左右。對(duì)比2臺(tái)艙體測(cè)量結(jié)果，剛加工完與完全冷卻后外圓尺寸相比分別相差0.081與0.090，與溫度補(bǔ)償表查得參數(shù)0.090基本相符。

5.2熱變形影響實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證和摸索熱膨冷縮對(duì)該外圓尺寸的影響，將上述2臺(tái)艙體分別在環(huán)境試驗(yàn)箱中30°C、40°C、50°C保溫5h后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果詳見(jiàn)表5

由圖可直觀地看到，艙體外圓尺寸φ380±0.05加工與測(cè)量受艙體溫度因素影響較大，造成本批艙體驗(yàn)收不合格的主要原因可確定為加工測(cè)量時(shí)未考慮零件熱變形，并且，艙體溫度補(bǔ)償表再次被證明與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)值接近，經(jīng)驗(yàn)證具有一定實(shí)用及可靠性，溫度補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)推廣應(yīng)用于大型薄壁鋁合金類零件的加工和檢測(cè)中。

5總結(jié)

通過(guò)對(duì)某薄壁鑄鋁合金艙體驗(yàn)收時(shí)外圓尺寸超差的問(wèn)題進(jìn)行原因查證分析，并提出相應(yīng)解決措施，避免問(wèn)題的重復(fù)發(fā)生，從而引申出溫度補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，保證了在各種環(huán)境中不同材質(zhì)零件都能得到真實(shí)的測(cè)量值。該技術(shù)的應(yīng)用在實(shí)踐中被證實(shí)能有效提高大型薄壁鋁合金零件的加工質(zhì)量，應(yīng)大力推廣應(yīng)用到航天航空精密加工領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 全國(guó)鑄造委員會(huì).GB/T 1173-2013鑄造鋁合金.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014

[2] 劉仁家，陶性華.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1978

[3] 王先逵.機(jī)械加工工藝手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[4] 何東敏，王琪等.大型薄壁鋁合金零件溫度補(bǔ)償技術(shù).沈陽(yáng)，2012