低熔點合金在薄壁零件加工中的應用

西安航空動力控制公司 (陜西 710077)趙興龍 李 春 廖曉文 徐 敏

1.零件分析

所要加工的活門殼體零件如圖1 所示，材料1Cr17Ni2，零件最大尺寸φ 41.5mm×103mm、硬度28～35HRC;批量100 件/月;要求零件加工后表面粗糙度值Ra=1.6μm，小孔孔壁表面粗糙度Ra=3.2μm，零件壁厚1.6mm，屬于典型的薄壁類零件。

圖1 工件

圖1 所示的零件，鉆削φ1.5mm×252 個小孔不產生變形并去除孔口毛刺，是零件加工的的難點之一。曾使用振動光飾機，通過零件與磨料發生摩擦來去除毛刺，經過多次試驗，均未達到產品的質量要求;也曾使用人工刮削的方法去除毛刺，但由于人為因素影響較大，零件變形也無法避免，效果不理想。而采用低熔點合金(或其他低熔點非金屬材料混合物)，類似鑄造原理，在零件空腔內加注熔化的合金，使零件成為實心剛性體，零件的裝夾定位及加工就會變得很容易。由于零件剛性提高，又有合理的裝夾定位基準面，零件的變形就得到了控制，并且零件與低熔點合金在加工時，不存在間隙。低熔點合金在加熱熔化后，灌注到零件內腔中，低熔點合金冷卻凝固后，進行鉆孔加工，孔口的進出口處只會產生銳邊而不會產生毛刺，后續通過光飾加工就可以保證產品的質量，大大提高零件的加工精度。加工完畢，加熱使低熔點合金熔化，由于溫度低，不會影響零件的材料狀態，也不會引起零件的變形，零件不損傷，得到高精度的復雜薄壁零件。

2.工藝研究

鉆削加工是利用刀具旋轉進行切削加工，在鉆頭進入和脫離工件的時候都伴隨著刀刃不斷的進出變化。在通孔鉆削時，由于工件底部支撐強度的減少，底部材料發生強烈的塑性變形，隨著鉆頭的進給，部分材料被頂出，而不是隨著鉆頭的螺旋槽排出，部分切屑殘留在工件上，最終形成了鉆削切出毛刺。在活門殼體零件的鉆孔加工中，先將零件內、外形車削加工完畢，將已選定的按成分配制好的低熔點合金加熱至熔融態，灌注到殼體內膛中，待低熔點合金冷卻凝固后，再進行進行零件的鉆削加工，加工完畢后熔去低熔點合金，小孔出口處不會再產生殘留毛刺，直接進行光飾加工，就可以尺寸和形位精度的檢測，并且低熔點合金回收后可循環使用?；铋T殼體加工工藝流程如圖2 所示。

在小孔鉆削前，用專用堵頭將零件下端封堵住，將固體的低熔合金放入鐵盒或坩堝中，再慢慢將其融化，然后順著零件的上端面入口將液化的低熔點合金注入到鉆孔區域，待低熔點合金冷卻固化后，然后進行鉆小孔操作，小孔加工完畢，將零件放入裝中開水的水盆中，取除堵頭，將低熔點合金倒出，完成一個零件從灌注到小孔加工的全過程。整批零件加工完成后，對低熔點合金回收，以便下回使用。

3.低熔點合金的特性與配制

在零件的機械加工過程中，采用水基乳化液進行冷卻，使得零件加工部位得到了充分的冷卻，但由于是多孔加工，熱量不容易及時散發出來.通過測量可知，鉆孔加工后產生的溫度可以控制在60℃以下，為了保證低熔點合金在工件加工過程中不熔化，要求所選擇的低熔點合金不低于60℃;在零件加工完畢后，去除輔助灌注的低熔點合金時，為了不改變零件材料的性能狀態，所選用的低熔點合金的熔點要低于零件本身材料的退火溫度，所以選擇的低熔點合金的熔點要遠低于300℃;考慮到加熱設備與操作方便，認為文中所示零件加工時灌注的低熔點合金的熔點應選擇70～120℃比較理想。

(1)低熔點合金的特性 熔點低于232℃ (錫的熔點)的合金，又稱低熔點合金，低熔點合金熔點有47℃、64℃、70℃、92℃、102℃、120℃、138℃、144℃、180℃等多種選擇。低熔點合金主要是由低熔點金屬鉍(Bi)、鉛(Pb)、錫(Sn)、銦(In)、鎘(Cd)以及鋅(Zn)等元素構成的二元系或多元系合金。鉛的熔點為327℃，鉍的熔點為271℃，錫的熔點為232℃，鋅的熔點為419℃，鎘的熔點為321℃，銦的熔點為156℃。其中以鉍(Bi)金屬元素為主要金屬組成的低熔點合金具有熱縮冷脹的特性;以銦(In)金屬元素為主要金屬組成的低熔點合金具有熱脹冷縮性質;而以鉍(Bi)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鎘(Cd)按不同重量比組合而成的低熔點合金，加熱熔化后具有良好的流動性，并且熔點可通過重量比的不同在50～100℃中選擇，可采用水浴法或者油浴法將其熔化，在室溫條件下強度為30MPa，延伸率3%，硬度為25HBS。

(2)低熔點合金的配制 根據文中零件材料及加熱設備與操作方法的簡便，選擇以鉍 (Bi)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鎘(Cd)按不同重量比組合而成的低熔點合金，并要求熔點在70℃以上，加工完畢后采用水浴化熔化，因而要求熔點在96℃以下，在此溫度低熔點合金的配制經過試驗可得到如附表所示的配方。

70～96℃低熔點合金的配方表

在低熔點合金的的配制過程中，應嚴格按附表執行，在鐵盒或坩堝中熔化原料，先放入熔點較高的金屬，待熔化后再依金屬的熔點由高到低依次加入，鐵盒或坩堝不得有油污和銹蝕，原料熔化時用鐵棒不斷攪拌，將金屬氧化物、雜質清理干凈;也可將配制好的低熔點合金按圖2 直接放入到零件中，加熱至熔點溫度，但應控制溫度，避免過熱。在低熔點合金的使用和回收過程中，應避免污染，及時清理合金液中的金屬屑，一般隨著灌注次數的增加，低熔點合金循環使用超過3 次以后，低熔點合金中一些合金成分就會發生損耗，造成合金成分組成發生改變，從而引起低熔點合金熔點變化。因此需要定期對低熔點合金成分及熔點進行檢測，對一些結構復雜的零件，低熔點合金只允許一次性使用。

4.結語

通過上述切削試驗結果及分析，得到如下結論:

(1)利用鉍 (Bi)、鉛 (Pb)、錫 (sn)、鎘(cd)等熔點較低的金屬元素，可以配制出多種熔點的合金。改變低熔點合金的各成分的配比，既可以改變合金的熔點。

(2)用低熔點合金作為灌注填充料，提高了薄壁活門殼體的剛性，方便容易地去除了零件鉆孔后產生的毛刺，低熔點合金常溫性能穩定，可以很好地控制尺寸變化，有效解決殼體薄壁易變形問題。

(3)對于薄壁精密復雜件的加工，采用低熔點合金作填充物，可以很好的控制加工變形，提高零件的工藝性。