機械加工中的填充物的應用

南京機電液壓工程研究中心13分廠

[摘要]:本文總結了機械加工中填充技術的應用情況，對幾種常見的填充物如低熔點合金、石蠟等進行分析，并對其使用范圍提出建議。

[關鍵詞]：填充 薄壁 剛性

1. 引言

航空航天零件中有一些零件對承力和重量有著較高的要求，為了滿足這一要求產生了很多復雜型面、薄壁的零件，這對于裝夾和加工都提出了較高的要求，采用常規的工藝方法通常會造成此類零件裝夾變形，切削加工時容易產生顫振，嚴重影響加工精度和表面粗糙度，而且常規方法加工薄壁零件必須留有很大的加工余量，分粗加工、半精加工、精加工等多道工序，為了消除加工應力，控制變形，還要增加多道熱處理工序，使得加工周期很長，提高了加工成本。在機械加工過程中，采用對此類零件進行填充的方法，使零件形成一個剛性實體，可以有效降低裝夾和加工難度。另外針對一些口部較小內腔較為封閉的零件，填充技術通過對零件口部進行保護，可以避免加工時金屬屑進入零件難以清理的腔體內。還有一種就是可以利用填充物對零件進行槽液隔絕保護，控制表面處理的范圍。填充物的選擇、使用范圍研究和加工中注意事項是填充技術在生產中得以應用的關鍵。

2. 填充物

2.1填充物的性能要求

選擇填充物需要在性能上滿足以下要求：

(1) 膨脹系數要小。如充滿零件腔內的填充材料在常溫下的收縮量要小于零件尺寸公差的1／5。

(2) 要有較好的強度和剛性，以確保零件裝夾和加工時工藝系統的變形量小于尺寸公差的1／5。

(3) 要有良好的可結合性和可脫離性。可結合性指填充物常溫固化時與零件之間的具有較好的結合力；可脫離性則指熔化或溶解后的填充物不會殘留在零件表面影響其表面質量。

(4) 較低的熔點。較低的熔點可以便于實現填充物的狀態變化（固態變成液態），完成填充過程，同時避免零件基體在高溫下產生的材料狀態變化和表面氧化，同時減小了零件的熱變形。需要注意的是，填充物的熔點并不是越低越好，為了避免填充物在工件加工過程中由于切削熱而造成熔化，要求所選擇的填允物的熔點應不低于60℃。

(5) 填充物具有良好的可切削性。填充物的可切削性包括兩個方面，一是指可以高效率地切除多余的填充物，二是指切削性能差別較大的填充物和零件基體材料具有較好的混合切削性能。

2.2常用的填充物和使用范圍

2.2.1低熔點合金

低熔點合金的成分通常選擇熔點較低的常見金屬材料，滿足使用性能的基礎上兼顧經濟性，而且要做到對操作者無毒無害。從常見金屬材料的低熔點考慮，鉛、鉍、錫、銻等是比較理想的低熔點合金成分選擇：鉛的熔點為327.4℃，鉍的熔點為271.3℃，錫的熔點為231.9℃，銻的熔點為630.5℃，上述元素根據不同配方可以得到不同性能和用途的合金，如以鉍金屬元素為主要組成成分的低熔點合金具有熱縮冷漲的物理特性，使合金材料具有填充物非常理想的溫度特性，將熔融態的低熔點合金灌注填充至零件腔內，冷卻后與零件成為整體，可以達到提高零件剛性、減小機械加工變形、保證零件尺寸精度的目的。

以鉍金屬元素為主要組成成分的低熔點合金推薦采用如下配方：鉍(Bi)42．5％，鉛(Pb)37．7％，錫(Sn)11．3％，鎘(Cd)8．5％，它的主要物理性能如下：熔點70℃～90℃，硬度(HB)9，比重9．47，強度37N／mm2。

零件為單件小批量生產時，低熔點合金熔化的方法一般將其放在金屬鍋中采用電爐(或電磁爐)加熱即可，無需昂貴的設備投入，使用時對零件進行澆鑄，類似鑄造原理，然后等到冷卻至常溫固化即可進行加工。回收時將零件整體浸入開水中不斷加熱，低熔點合金就會不斷熔化脫落。隨著灌注次數的增加，低熔點合金中一些合金成分損耗，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驗，并及時更換。

需要注意的是，當低熔點合金和零件進行整體加工時，如低熔點合金也處于切削范圍，其切屑會和零件金屬屑混雜在一起給回收帶來困難，機加現場一般不會進行專門回收，造成了相當的浪費，建議低熔點合金不要澆鑄在零件的切削范圍，因此比較適合殼體類零件內腔的填充，如某型零件（圖1）部分范圍按要求進行鍍鎘，而內部油路需進行隔絕保護，防止使用時鎘污染油液，此時就可以在零件腔體內填充低熔點合金控制表面處理的范圍。

圖1

2.2.2石蠟

石蠟是石油煉制過程中的主要產品，也是很常見的化工、生活用品，純石蠟是半透明的白色塊狀物體，不溶于水，強度不高，熔點為54.1℃，通過添加硬脂酸提高其強度，同時將其熔點提高至60℃左右，成為比較合適的填充物。

在澆注石蠟時，將石蠟加熱至液態，再將零件稍微預熱，用丙酮或酒精清洗干凈零件內腔或表面（增加其結合力）、后將液態石蠟澆灌在零件腔內或專用模具內，常溫下石蠟緩慢冷卻，以免快速冷卻時石蠟脫落。在半凝固時除去多余石蠟，采用比零件金屬軟的工具去除，避免劃傷到零件。去除時只需用開水沖即可，不需要特殊工具。

石蠟容易掛附，很適合開放區域，如某型葉輪（圖2）葉片外輪廓要求較高的形位公差，原來的加工方案是通過車加工保證葉片外輪廓的形位公差，后進行葉片的銑削加工，因銑削加工造成的變形會影響已經形成的形位公差，但如果銑削后精車加工會因剛性不足產生顫振影響加工精度。采用填充石蠟技術就很好的解決了這一問題，只要做一個澆注模具，使石蠟和零件半成品形成整體（圖3），改進后流程為：半精車→銑加工→澆灌石蠟→精車→除去石蠟。

圖2圖3

2.2.3尿素

尿素工業或農業用品為白色略帶微紅色固體顆粒，無臭無味，熔點為131～135℃，水溶性1080g/L（20℃），隨著溫度提升，水溶性進一步提高。

尿素的加熱熔化和澆灌和石蠟類似，去除時卻不用加熱去除，只要常溫狀態下大量的水沖洗即可。

雖然使用尿素充當填充物成本較低，但現在機械加工較少采用尿素作為填充物，因為其在加工時尿素會溶于冷卻液，只能采用干切法，而干切削尿素會產生煙塵，影響加工環境和操作者身體健康。

2.2.4其他填充物

有些資料認為石膏、樹脂（松香等）也是合適的填充物，但筆者不認同，石膏進行脫離時熔化需要數百度高溫，雖然不會改變金屬狀態，但高溫會給零件帶來新的變形，影響尺寸精度。松香的熔點較低，但軟化狀態下的松香流動性不強，不容易進入腔體內部，而且固化后的松香硬而脆，和金屬的結合力不足。

在填充細長孔防止金屬屑進入腔體時，熔化狀態下的低熔點合金和石蠟很容易在口部即固化，不能做到填充深度滿足機加要求，此時可以將固態下的肥皂擠入細長孔內，去除時只需在熱水內浸泡沖洗。

3.總結

實踐證明，在加工過程中引入填充物，可以有效提高薄壁復雜類零件的工藝性，保證其尺寸精度，對于提高合格率和生產效率提供了低成本的解決辦法。分析填充物的特性和適用范圍有很強的工程實際意義。

4.參考文獻

[1] 趙天嬋，歐陽忠. 低熔點合金的成分及其熔點[J]. 機械工藝師，1996

[2] 趙長喜. 低熔點合金在復雜薄壁零件制造中的應用研究. 航天制造技術.2006（2）

5.作者簡介

褚全，男，（1980年10月—），漢族，中國航空研究院研究生畢業，研究方向為機械加工，工程師職稱。