哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066
摘要：化学铣削是指将被加工的金属材料部分暴露在化学介质(铝合金化学铣削主要采用氢氧化钠溶液)中进行腐蚀，从而获得所需要的零件形状和尺寸的一种加工方法。铝合金的化学铣削加工已成为航空航天工业特别是飞机蒙皮零件成形的一种可靠方法，优于传统的加工方法。在工程中，有许多零件在使用过程中，由于交变应力，即使交变应力低于材料的屈服强度，经过长时间的工作后也会发生断裂，这种现象称为金属疲劳。
关键词：疲劳；化学铣切；铝合金；
铝合金的化学铣切已经成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法，尤其是在加工飞机蒙皮时要比用传统的机械加工方法优越得多。但化学铣切在一定程度上会降低材料的疲劳寿命，是由于存在于金属板材表面抗疲劳的残余压应力在化铣过程中释放后造成的。因此有必要考虑化铣工艺对飞机疲劳寿命的影响。
一、概述
所谓化学铣切(简称化铣)是通过与一种有效的化学试剂相接触,使金属材料有控制地均匀溶解,从而达到加工零件的目的。与一般机械加工方法相比,化铣工艺主要有以下特点:（1）对某些焊接、铆接、胶接等方法组成的组合件,可作为一个整体结构直接进行化铣加工,缩短了生产周期。（2）对一般机械加工方法难以加工或无法加工的薄壁、易变形、大面积的零件,只要化铣槽尺寸允许,无论零件材料的状态如何,都可采用化铣方法加工。（3）不产生切削应力,零件无变形。（4）一次可加工多个零件,还可以同时进行两面加工,提高生产效率。（5）适应性大,设备简单,投资少,对新设计或试制的零部件,使用化铣的方法可以很快完成加工。
二、试验方法
化铣试样的材料按照空客ADET0049的要求选用ASN-A3012化铣专用板材,该板材是无内应力的化铣专用板材,在化铣或后续加工过程中无应力释放,从而避免了试样变形对疲劳试验性能的影响。试样在上疲劳试验机前配钻装挂孔,从而避免了装挂孔和装挂螺栓之间的不匹配,否则将导致试样的非正常疲劳断裂。试片材料:2024-T3包铝和7075-T6包铝各12片,试片尺寸为170 mm×480 m m×3mm,中间化铣区域为90 mm×120 mm×1.2mm。
1.化学铣切工艺。
化学铣切工艺流程:碱清洗---水洗--脱氧--水洗---干燥--涂保护胶※剥离保护胶---化学铣切--干燥---去保护胶。铝合金化铣槽液及工艺参数:①槽液组成,NaOH 142～172 g/L,Na2 S 11～23 g/L,T EA 30～60 g/L,Al 5～49 g/L。缓蚀剂H X 0.1～0.2 g/L。②腐蚀速度0.03～0.05 mm/min。③铣切温度:99～104℃。
2.疲劳性能测试分析。疲劳拉伸试验:参照ADET0049标准,使用M TS 810.23w/TestS tarⅡ型号的疲劳试验机,选择环境温度为18～25℃,选择应力比R=0.1,选择测试频率为12～30 H z,测试疲劳循环次数为2×104～2×106。为了排除化铣表面粗糙度对疲劳性能测试产生的不利影响,要求试样化铣区域的表面粗糙度Ra均小于1.6μm,使用SU RT RON IC 3+型仪器进行表面粗糙度的测试。疲劳断口分析:选择典型的疲劳断裂试样进行疲劳断口分析,断口的微观形貌采用INCA Wave型扫描电镜(SEM)进行观察。
三、试验结果及分析
1.疲劳测试结果。根据ADET0049工艺报批的要求,待报批化铣工艺加工的化铣试样,其疲劳测试曲线应落在参考曲线的上方才能满足客户的要求。本化铣工艺加工的12块2024-T3化铣试样以及12块7075-T6化铣试样的疲劳测试结果分别如表1和表2所示。
表1 2024-T3化铣试样疲劳测试数据
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表2 7075-T6化铣试样疲劳测试数据
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注:P2.12为循环次数超过要求值而没有断裂的试样。
由于7075材料不如2024材料能承受高应力的测试,在试验的过程中,7075-T6试样选择的最大应力值为244 M Pa,而2024-T3试样的最大应力为310 M Pa。分析承受高应力值的不同,这可能是由于在同等条件下7075材料化铣后的表面粗糙度均稍大于2024材料(表面粗糙度结果如图2所示)。尤其是对于7075这种静强度很高的材料,其疲劳寿命对材料的表面粗糙度非常敏感,所以为了获得有效的疲劳循环次数,需选择比2024稍低的疲劳应力进行测试。从图2可以看出,所有试样的表面粗糙度Ra值均小于1.6μm,这说明本化铣工艺完全能满足铝合金精密化铣表面光洁度的质量要求。与7075相比,2024材料的Ra值相当稳定,均处于0.6～0.7之间。这说明采用本化铣工艺,2024铝合金比7075铝合金具有更好的化铣加工性能。有文献报道说材料的表面粗糙度跟疲劳寿命有直接的关系,从图1结果可以看出,在稍低加载应力的高周疲劳测试区域,同一应力水平下,2024铝合金化铣试样的抗疲劳性能明显优越于7075试样。
2.疲劳断口分析。（1）疲劳断口宏观形貌。疲劳断裂是裂纹在循环载荷作用下缓慢扩展而导致断裂的过程,其断口的形貌可以从宏观也可以从微观观察,它们是相辅相成的。（2）疲劳断口微观形貌大量试验证明,疲劳裂纹起源于应力集中的局部显微区域,对于大多数合金材料,尤其是高强度材料,其表面的冶金缺陷、相界面、晶界及表面的加工损伤等都将成为疲劳裂纹的核心。研究表明,每一条疲劳条带对应一次载荷循环。条带的法线方向一般与该区域裂纹的扩展方向一致,由于晶粒的取向差异以及晶界和第二相质点的存在,裂纹可能会从一个平面转移到另一个平面,所以在断口的扫描电镜照片上可以观察到疲劳条带分布在不同高度的平面上。由2024-T3铝合金的断口与7075-T6作比较发现,2024铝合金的疲劳条带更明显,条带又粗又深,而7075铝合金的疲劳条带则浅而细,这说明静强度高的材料更难形成疲劳条带。当裂纹扩展到材料的临界裂纹长度后发生失稳快速破断,就在疲劳断口的两端形成了瞬间断裂区。疲劳后期的瞬间断裂属于静载荷断裂,断口形貌与静载荷断裂的断口相似,其微观形貌的典型特征是形成许多韧窝,两种铝合金材料的韧窝形貌基本相似。
总之，该化铣工艺完全能满足民用飞机对铝合金材料疲劳寿命的设计要求；化铣试样一般在铣切圆角尺的根部发生断裂，其断口微观形貌呈现出典型的疲劳断裂特征。
参考文献：
[1]张东阳.浅谈化学铣切铝合金的疲劳性能.2017.
[2]王红艳，探讨化学铣切铝合金的疲劳性能分析.2016.