1、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
2、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
3、.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（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北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 3 页共 17 页（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引言北京科技大学远程教育学院毕
4、业设计（论文）第 4 页共 17 页化学铣切过程是：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。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，北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 5 页共 17 页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
5、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
6、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化铣溶液成分（g/l） 化铣情况配方 NaOH（起始浓度）Al+3添加剂加入添加剂后的异常情况 表面质量肋条两侧北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 6 页共 17 页a b C1 200250 20 较粗 粗糙2 200250 20 1#40有轻微臭味 较细 较细3 200250 20 2#403#20 致密 较细4 200250 20 2#404#20 加热搅拌有氨味逸
7、出较细 较细5 200250 20 2#405#40 致密 致密6 200250 20 7#40气味大、气泡多，冒槽严重，腐蚀速度慢较粗 较粗7 200250 20 2#408#20 致密 较细8 200250 20 5#50较细 较细9 200250 20 2#409#5 有橡胶气味，冒槽严重，槽液粘度大较细 较粗1 200250 20 2# 3#20 9#5 同上 致密 致密北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 7 页共 17 页0 4011200250 20 1#403#20 9#5 同上 致密 致密12200250 20 2#403#20 5#40 光亮致密光亮致密实验结果表明，
8、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。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北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 8 页共 17 页在特定条件下，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
9、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，
10、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，北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 9 页共 17 页因而侧切量 B 的实际宽度尽管在同一零件上也并不相
11、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。（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
12、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。因此我们所着重北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 10 页
13、共 17 页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
14、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北京科技大学远程教育学院
15、毕业设计（论文）第 11 页共 17 页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量统计编号 图号 测量点 最大值 mm 最小值 mm 同板差 mm94-3 1CBE3311-0 198 17.4 17.18 0.2294-6 1CBE3311-0 198 17.09 16.97 0.1294-7 1CBE3311-0 198 17.33 17.18 0.1594-8 1CBE3311-0 198 17.3 16.93 0.37表 4，LD10BCSYu12 板材去掉包铝层的厚度测量统计编号 图号 测量点 最大
16、值 mm 最小值 mm 同板差 mm94-4 2CBE3311-0 116 10.3 10.11 0.1994-5 2CBE3311-0 116 10.35 10.21 0.1494-6 2CBE3311-0 116 10.35 10.23 0.1294-8 2CBE3311-0 116 10.33 10.09 0.23另外，金属材料的化学成分不均匀也会给化铣质量造成影响，如化铣 2CBE331-90壳段壁板的 1：1 静力试验件时，发现编号为 94-7 和 94-8 的两块试件表面有严重的暗色凹凸不平的波纹，化铣后这部分的厚度比其他区域厚 0.2-0.3 毫米。（2）化铣后的凹槽壁厚均匀度差
17、太大转动化铣的试件经超声波测量厚度时发现网格内的厚度明显不均匀，北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 12 页共 17 页125125 的化铣凹槽，铣切深度 12mm，凹槽的壁厚偏差 0.50.8 毫米。凹槽内壁厚分布很有特点：一是自网格中心向四边外延的约 20%面积上壁厚差较小；二是最大壁厚出现在四个尖角部位，最小壁厚一般靠近网格的中心部位。（3）网格几何形状及尺寸对壁厚均匀度的影响试验发现，三角形、长方形、棱形及圆形网格，化铣后的壁厚均匀度差别较大，三角形网格壁厚均匀度差，而圆形网格壁厚均匀度较好。网格的几何形状尺寸大小也影响化铣后的精度，从 1:1 试验结果看出：中间的棱形网格比四
18、周的小三角形网格的均匀度好；同样是棱形网格，但尺寸为 223223 的大网格（二级壁板）就比 125125 的小网格（一级壁板）的化铣壁厚均匀度要好。（4）腐蚀条件对壁厚精度的影响腐蚀条件是造成化铣加工偏差的主要因素，因为化铣加工偏差实质是一个腐蚀速度问题，而腐蚀速度又主要受控于化铣溶液的化学成分（碱浓度、铝含量和添加剂）与温度。一般情况下，温度越高腐蚀速度越快，壁厚不均匀也明显增加；化铣溶液的铝含量太高，化铣过程中易产生下切缺陷，影响精度及减重。（5）铣切深度对壁厚精度的影响试验和生产实践表明，铣切深度的影响是所有个因素中对化铣加工偏差影响最大的因素。因为铣切深度越深，零件在化铣槽中浸泡的时
19、间就越长，而时间越长，化铣槽中各项腐蚀条件发生变化的可能性也越大，化铣加工偏差也越大。这北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 13 页共 17 页就是为什么美国军标规定铝板材化铣的最大深度为 12.7mm 的理由吧。（二）提高化铣壁厚精度的工艺方法长二捆贮箱结构零件特点：化铣总厚度10cm，多次刻形，为了在保证化铣厚度均匀及肋条的宽度在误差范围内的同时也保证侧切率不超过指定值，长二捆贮箱结构零件的化学铣切一直是采用转动化铣工艺进行加工的。为满足贮箱结构减重的要求，必须对原有转动化铣工艺进行改进、完善和提高。经过系统的攻关试验，探索出一套进一步提高化铣壁厚精度的工艺方法。（1）降低原材料的
20、同板壁厚差1.将厚度偏差相近的几块壁板组合在一起进行转动化铣。2.去包铝层上夹具时，要将壁板偏厚的一端放下面。3.采用两次去包铝层，中间对暴露的原材料缺陷进行点胶保护。4.若壁板上下厚度偏差较大，采用局部腐蚀或增加零件出入槽次数的方法。（2）优选合适的转动化铣现速度优选合适的转动化铣线速度,是提高网格壁厚精度的有效措施。由于受零件加工边缘防蚀层的影响，化铣出的凹槽存在厚度过渡区。网格内厚度过渡区面积和壁厚差的大小，关系到化铣凹槽废重的多少。试验表明，选择转动化铣为 11.4米/分的线速度是合适的，可以减小厚度过渡区的壁厚差，有效地提高壁厚精度。（3）台阶式减薄腐蚀北京科技大学远程教育学院毕业设
21、计（论文）第 14 页共 17 页化铣凹槽采用二次喷胶后进行台阶式减薄腐蚀，此方法用来解决化铣厚度不均匀的情况。即对化铣速度快厚度较薄的地方再次进行喷胶或刷胶保护，然后在对化铣慢厚度较厚的地方继续进行化学铣切。有时也直接将铝合金板架吊起来直接进行局部化铣。此方法即可提高壁厚精度，又能减小化铣圆角，减轻废重。（4）采用局部处理进一步提高壁厚精度1.立铣、平铣相结合对零件进行局部减薄。2.采用锥度化铣加工原理，对局部超厚区进行减薄。3.厚度、肋宽允许时，进行整个零件的均匀减薄。结论贮箱结构减重化铣工艺，属于一种精化铣工艺，在此之前由于技术问题造成的化铣质量差，产量低的问题均得到了解决，通过这次调研
22、得到的结论如下：a，整个工艺方法实用而又富于创新，对进一步提高化铣精度，减轻结构重量，具有明显效果。已经交付的 8 件 1:1 静力试验件基本达到CZ-2E 贮箱结构减重化铣工艺攻关技术协议要求。b. 新化铣溶液配方化铣 LD10BCSYu 厚板，表面质量好，槽液稳定性好，具有较好的整平抛光作用，添加剂无毒，不造成污染。c. 通过试验掌握了化铣网格壁厚的分布规律，有利于在腐蚀加工过程中正确选定控制零件壁厚加工的测量点。这对保证零件加工精度及提高生产效率是很重要的。北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 15 页共 17 页参考文献1 杨乾忠 , 姜仁忠；化铣不锈钢；航天工艺技术1985 年
23、 01 期；2 中国运载火箭技术研究院 211 厂；化学铣切工艺规程 ；柳怌3 刘旭升，黄绍林；LD10 网格加强肋结构壁板的化学铣切工艺研究；宇航材料工艺20120816结束语历时近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰北京科技大学远程教育学院毕业设计（论文）第 16 页共 17 页写和排版的过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
