溫度因素對鋁合金艙體加工精度影響研究

廖慧慧　陳繼寧

摘 要：為提高某型號薄壁長筒鑄鋁合金艙體外圓機加工及檢測精度，研究分析了材料熱膨脹性能、加工中的熱變形、檢測中的環境溫度等影響艙體尺寸的因素，并通過大量工藝試驗摸索艙體熱變形規律，提出溫度補償表應用的對策。

關鍵詞：鑄鋁合金；薄壁艙體；機加工；熱變形；補償表

1 引言

ZL201是目前工業生產中使用較多的高強度鑄造鋁合金，其比重小而機械加工及表面處理性能優良，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構件形式廣泛應用于航空航天領域。但ZL201較大的膨脹系數也導致其在加工和使用中尺寸穩定性受溫度影響較大，使產品制造和使用的經濟性降低。本文通過對某薄壁長筒鑄造鋁合金艙體的加工質量提升進行工藝攻關，經大量工藝試驗驗證，掌握該艙體加工精度受溫度因素變形的規律，為后續該類產品熱變形補償加工提供了借鑒。

2 零件外形特點及研制情況簡介

某型號鑄造鋁合金艙體是該型號的關鍵結構件，如圖1所示，艙體的長徑比較大，壁薄，外圓尺寸及外圓與兩端面垂直度公差要求均較高。前期通過對零件在加工中存在的易變形、易振動、零件尺寸及表面粗糙度不易保證等技術難點采取一系列工藝攻關措施，已經有效解決了該零件的一系列車削加工難題。零件加工時刀具和切削參數經過驗證完全適合加工，加工過程中測量值與加工情況相符，但零件進入最終產品檢測得出的數值與加工過程中檢測的數值有很大偏差。

在客戶對該艙體進行驗收時，有20件外圓尺寸φ380±0.05超差，實測為：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：ZL201 GB/T1173-1995，其金屬牌號為ZAlCu5Mn，其化學成分如表2所示。

其中各元素的作用為：

Zn：和鎂同時存在以提高機械加工性能；Mg：提高耐腐蝕性和機械強度，改善機械的加工性，降低比重；Cu：與固溶強化和時效強化有關，提高高溫強度，提高機械的加工切削性；Mn：提高高溫強度，減少鐵的弊端；Ti：細化晶粒，改善伸縮性能，提高機械性能，提高耐熱性，防止熱斷裂；Zr：細化晶粒，提高耐熱性，防止熱斷裂；Fe、Si：雜質[1]。可見，ZL201屬于高強度鋁.銅系鑄造合金，該化學元素組成在一定程度上決定了其物理性能，該合金強度高、比強度大、剛性大，經過固溶處理加自然時效（T5）后，布氏硬度（HBW）為90，抗拉強度為335MPa，伸長率（A）為4%，在0～100°C時線膨脹系數a為0.238×10-4，是普通碳鋼（a=0.106×10-4）的兩倍左右[3]，這么大的膨脹系數導致其尺寸在加工和檢測中穩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致，其熱變形情況和加工方法與受熱是否均勻有關。當零件均勻受熱，冷卻至室溫，零件的直徑和長度都會有所收縮，產生一定的尺寸誤差；隨著進一步的切削加工，零件的溫度會逐漸升高，表面切去的金屬層也越來越厚，受熱不均勻，冷卻后不但會產生圓柱度誤差，并且會產生徑向尺寸誤差[3]。而該艙體加工機床沒有冷卻系統，在加工時，由于沒有冷卻液對艙體進行冷卻，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進行散發。

另外一個因素是生產廠房溫度，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，會較大地影響零件測量的真實值。對該艙體加工過程進行調查，發現該尺寸測量為臨床測量，原因為該尺寸精度要求高，而且外圓和端面要求一次裝夾加工完成，如果不在機床上測量，下機床后一旦出現尺寸超差，再次上機床返修加工，找正非常困難。因此加工中測量是與加工穿插進行的，零件加工過程中產生的大量切削熱雖然被鋁削帶走，但零件溫度不會立即降到最終測量用標準件的溫度，而艙體驗收時的溫度為常溫，也就是加工測量時零件溫度高，驗收時零件溫度低，因此兩次測量得到的值存在偏差。

4溫度補償技術理論分析及應用

4.1熱變形理論公式

通過以上分析，按影響因素查閱資料得到由零件測量直徑尺寸，零件溫度值，測量用標準件（量具）溫度值，零件膨脹系數和標準件（量具）材質膨脹系數對直徑測量變化量之間的函數關系公式：

△ =（（ - ）* -（ - ）* ）*

公式中： △ -直徑的變化； -零件溫度； -零件的膨脹系數； -標準件（量具）的溫度；

-標準件（量具）的膨脹系數； -測量直徑的尺寸[2]。

根據上面的公式，現場加工中零件的直徑尺寸應該為L +△L ，當△L 為負值時，零件的直徑尺寸會變小，當△L為正值時零件的尺寸會變大。

4.2 艙體溫度補償表建立

由于溫度有一個變化范圍，操作工人不可能在每次測量后都進行一次繁瑣的計算，為了方便直接應用，隨時查看變化量，根據公式： 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，稱為溫度補償表，見表3，表格里編輯了計算需要的每個元素以及計算公式。該表格已經將需測量的外圓尺寸及對應的材料膨脹系數，標準件（量具）的膨脹系數設為常量，而由于標準件熱膨脹系數較小，可近似為加工現場室溫。因此在使用時僅需測量零件溫度及加工室溫，即可查找到對應的理論艙體外圓尺寸，按該值進行±0.05控制加工精度即可。該Excel表格也適用于其他材料零件，使用時僅需在表格中更改需測量的零件尺寸和零件材料膨脹系數即可[4]。

若加工條件有限，沒有測量艙體溫度的溫度測量計，就需將艙體加工后冷卻至室溫，此時艙體溫度與室溫一致，僅需用常用的溫度計即可測得零件與室溫溫度，同樣按補償表查找相應尺寸值即可。當零件溫度和標準件溫度（室溫）都是20℃時，零件的尺寸不會發生變化。

有了溫度補償表大大方便了溫度補償技術在實際加工中的應用，條件允許的情況下，最好采用精度為O.5℃的溫度測量計。標準件的溫度測量完成后就可以通過表格查找出直徑的變化量，然后根據變化量補償加工零件。

5實驗驗證

5.1溫度補償表可靠性驗證

為了驗證熱變形對艙體尺寸的影響及溫度補償表可靠性，抽2臺艙體按照正常的加工流程進行加工和測量，對比剛車完在機床上測量和下機床5h讓零件充分冷透后的測量結果，對比情況見表4。

冷透的艙體約為常溫20°，標準件（量具）溫度約為室溫20℃，剛車完在機床上測量的零件艙體溫度約為30°C。按補償表查，零件尺寸應為φ380.090，故在機床上測量（30°C時）和下機床5h后（常溫20℃時）測量結果理論上相差0.090左右。對比2臺艙體測量結果，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，與溫度補償表查得參數0.090基本相符。

5.2熱變形影響實驗驗證

為進一步驗證和摸索熱膨冷縮對該外圓尺寸的影響，將上述2臺艙體分別在環境試驗箱中30°C、40°C、50°C保溫5h后進行測量，測量結果詳見表5

由圖可直觀地看到，艙體外圓尺寸φ380±0.05加工與測量受艙體溫度因素影響較大，造成本批艙體驗收不合格的主要原因可確定為加工測量時未考慮零件熱變形，并且，艙體溫度補償表再次被證明與實際實驗數值接近，經驗證具有一定實用及可靠性，溫度補償技術應推廣應用于大型薄壁鋁合金類零件的加工和檢測中。

5總結

通過對某薄壁鑄鋁合金艙體驗收時外圓尺寸超差的問題進行原因查證分析，并提出相應解決措施，避免問題的重復發生，從而引申出溫度補償技術的應用，保證了在各種環境中不同材質零件都能得到真實的測量值。該技術的應用在實踐中被證實能有效提高大型薄壁鋁合金零件的加工質量，應大力推廣應用到航天航空精密加工領域中。

參考文獻：

[1] 全國鑄造委員會.GB/T 1173-2013鑄造鋁合金.中國標準出版社，2014

[2] 劉仁家，陶性華.機械設計師手冊.機械工業出版社，1978

[3] 王先逵.機械加工工藝手冊.機械工業出版社，2006

[4] 何東敏，王琪等.大型薄壁鋁合金零件溫度補償技術.沈陽，2012