李智超

中航工業(yè)慶安集團有限公司，陜西西安，710077

0 引言

鋁及鋁合金材料具有質(zhì)量低、強度高、可焊性好、易成型、加工成本低等特點，在機械制造和國防裝備中得到廣泛應(yīng)用。它們的用途僅次于鋼鐵，是第二類金屬材料。但鋁及鋁合金材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性不理想，需要進行硬質(zhì)陽極氧化處理，以獲得與基體良好的附著力和一定厚度的膜層，才能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，用于高硬度、耐腐蝕、重量輕的結(jié)構(gòu)材料。然而，典型的硫酸硬質(zhì)陽極氧化工藝氧化率低、生產(chǎn)效率低、能耗高、工藝成本高、薄膜燒蝕率高。

1 典型硬質(zhì)陽極氧化工藝

目前制備硬質(zhì)陽極氧化膜的方法有很多，其中典型的硬質(zhì)陽極氧化工藝以中或高濃度硫酸或有機酸為電解液的主要成分，采用低溫直流電解法。其主要特點是電解液成分簡單，易于分析調(diào)整；氧化膜厚度易于控制；該過程簡單方便。目前典型的硬質(zhì)陽極氧化工藝是使用高濃度硫酸溶液，浴溫小，負溫大，電流密度大，終止電壓過高，工藝條件差，直接導(dǎo)致薄膜生長速度慢，膜厚硬度小，燒蝕率高，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長，能耗和設(shè)備投資大，不能滿足市場發(fā)展的要求[1]。

硬質(zhì)陽極氧化膜的形成是電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。隨著致密氧化膜的形成，氧化電壓急劇上升并產(chǎn)生大量熱量，加速了氧化膜的溶解。因此，必須嚴格控制罐體輕度氧化電壓。陽極氧化膜的生長速度和性能主要取決于電解液的組成和濃度、電壓、電流密度、溫度和氧化時間，而陽極氧化膜的形成和化學(xué)溶解受動態(tài)平衡過程的影響。此外，還應(yīng)考慮攪拌方式和速度、懸浮裝置、水質(zhì)、輔助電極材料、面積和電極間距、材料成分、退火、拋光等預(yù)處理工藝對氧化膜性能的影響。因此，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)在現(xiàn)有硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前高效節(jié)能生產(chǎn)的要求，提高鋁合金材料的表面保護水平。開發(fā)高效節(jié)能性能的薄膜鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)不僅必要，而且意義重大[2]。

2 現(xiàn)階段加工方法及新方法確定

2.1 現(xiàn)階段加工方法

對鋁合金表面硬質(zhì)陽極化處理后的孔的加工工藝，現(xiàn)階段主要為研磨，以此來保證孔徑及表面粗糙度。研磨屬于人工操作，對操作者的技能要求很高，硬質(zhì)陽極化孔的粗糙度為Ra0.4，人工難以保證。

研磨加工的特點：加工時間較長，對技能水平要求較高，一些短孔加工不夠穩(wěn)定，易出現(xiàn)孔變形、喇叭等情況，返工率較高，表面粗糙度無法一次保證，需經(jīng)過多次研磨才能達到設(shè)計圖紙的要求[3]。

2.2 新方法的提出

研磨一般是鑄鐵棒與剛玉研磨膏與機體產(chǎn)生磨削，將硬質(zhì)陽極氧化膜層的顆粒進行修正和拋光，達到去除微尺寸和提高粗糙度的目的?，F(xiàn)在的PCD鉸刀的刀具壽命長、硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)高。PCD刀具的基本特點為：①PCD的硬度可達8000HV，是硬質(zhì)合金的8～12倍；②PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，是硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具傳熱快；③PCD的摩擦系數(shù)一般只有0.1～0.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～1），所以PCD刀具可以顯著降低切削力；④PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-6～1.18×10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；⑤PCD刀具與有色金屬和非金屬材料之間的親和力很小，在加工切屑的過程中不易鍵合在刀具尖端形成切屑瘤。

針對以上問題，經(jīng)過研究探討，并做了相關(guān)試驗，確定采用PCD鉸刀通過機床來加工硬質(zhì)陽極化孔，以此來提高加工效率，并且保證孔徑及表面粗糙度[4]。

3 加工工藝確定

硬質(zhì)陽極化膜層均勻地覆蓋在零件機體的表面，隨著零件的微觀表面特征變化而變化，膜層在微觀上對零件表面波紋狀覆蓋，對零件鍍前的粗糙度進行監(jiān)控。由圖1可知，試驗前粗糙度越好，硬陽后孔的粗糙度越好，硬質(zhì)陽極化孔的加工方案為表面處理前鏜孔，保證孔徑單邊0.02mm左右余量及表面粗糙度在0.4以下，硬質(zhì)陽極化后在機床上用PCD鉸刀對其加工，保證孔徑及表面粗糙度。

圖1 硬質(zhì)陽極化膜層散點圖

鉸孔工藝的確定：PCD鉸刀即聚晶金剛石鉸刀，有著很高的鋒利程度和硬度，鉸刀鉸孔時，PCD刀片與硬質(zhì)陽極化膜層產(chǎn)生較高的車削和磨削運動，鋒利的刀尖使得膜層表面的微觀酥松顆粒進行剝離，PCD有較高的耐磨性，與膜層進行磨削和拋光，對表面進行修正，提高表面粗糙度。如圖2，刀具有較高的耐磨性，鉸孔穩(wěn)定性高[5]。

圖2 鉸孔圖

在加工前需做好以下準備工作。

（1）將PCD鉸刀用液壓刀柄進行裝夾，如圖3，不允許用卡簧刀柄，因孔徑公差嚴，如若用卡簧刀柄裝夾，刀具跳動量太大，加工后孔徑難以保證。

圖3 鉸孔裝夾圖

（2）將裝好的PCD鉸刀在對刀儀上進行對刀，保證刀具的跳動量≤0.005，只有這樣才能保證鉸后的孔合格。

（3）裝夾好零件，用探頭或者杠桿表找正需要加工的硬質(zhì)陽極化孔，如圖4，如若加工的孔數(shù)量多，需每個孔單獨找正，不允許通過圖紙計算理論值偏置坐標(biāo)來加工。

圖4 鉸孔裝夾使用圖

計算加工參數(shù)，根據(jù)刀具廠商提供的加工參數(shù)，并根據(jù)S=Vc*1000/（π*D）、F=S*Zn*fz進行計算（其中F：進給速度；S：主軸轉(zhuǎn)速；Zn：齒數(shù)；fz：每齒進給量；D：刀具直徑；Vc：切削速度）。

（4）最終確定采用轉(zhuǎn)速S2000，進給F100、F50、F30進行加工試驗，圖5為加工試驗件，并對每個孔進行編號。

圖5 試驗圖

準備工作完成后，可以對零件進行加工，加工完成后進行測量，采用內(nèi)徑表對零件測量，因試件硬質(zhì)陽極化孔要求為Φ13.332±0.019mm，經(jīng)過加工后，孔徑全部合格。表面粗糙度采用粗糙度儀進行測量，如圖6，測量結(jié)果如圖7。

圖6 表面粗糙度測量圖

圖7 數(shù)據(jù)分析圖

經(jīng)過測量對比，確定采用S2000、F30的加工參數(shù)進行加工，此組參數(shù)加工完成后零件表面粗糙度基本維持在0.2左右[6]。

4 與傳統(tǒng)研磨方法的對比

硬質(zhì)陽極化孔的鉸孔加工相對于研磨有以下優(yōu)點：

（1）加工時間大大縮短，減少為研磨時間的10%以下，有效提高了零件的加工效率，節(jié)約加工成本；

（2）零件孔徑、表面粗糙度與研磨相比穩(wěn)定性較好；

（3）對操作者要求較低，而研磨加工時操作者手持零件，對體力及操作水平要求高，孔徑尺寸及表面質(zhì)量會存在波動；

（4）零件清洗方便，而采用研磨加工后，零件表面會殘留研磨膏，清洗困難，如不仔細清洗，研磨膏可能會堵塞油路口，影響產(chǎn)品的性能；

（5）采用研磨加工時，因操作者無法準確判斷研磨深度，從而孔底會因研磨頭的撞擊導(dǎo)致表面處理層脫落，而鉸孔時因為使用數(shù)控機床加工，只要設(shè)定好深度，就可以避免上述情況發(fā)生[7]。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代航空制造的發(fā)展，對硬質(zhì)膜層后續(xù)精加工的需求越來越高，傳統(tǒng)的加工方法（研磨）已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的加工效率和質(zhì)量需求。本文以鉸刀加工硬質(zhì)陽極孔為對象，介紹了鉸刀加工硬質(zhì)陽極孔的工藝方案，通過這種加工方法提高零件的加工效率和質(zhì)量，為薄膜精加工技術(shù)提供了新的方向。