摘要：化学铣削(简称“化学铣削”)是指对待加工零件的金属材料暴露在化学介质(溶液)中进行腐蚀，从而获得零件所需的形状和尺寸。由于化铣不产生切削应力，可加工特薄、易变形、大面积的零件，并能减轻结构重量，减少工艺装备，缩短生产周期，因此，其应用越来越广泛，已成为制造飞机、宇宙飞船、火箭结构的低温贮箱和电子计算机大规模集成电路元件处理中不可替代的加工方法。
关键词：化学铣切；2219铝合金；表面粗糙度；
针对对2219铝合金筒段的化学铣切工艺进行了研究,以确定化学铣切工艺的最佳配方和工艺控制要点。对NaOH、Na2 S、三乙醇胺(TEA)和溶解A l正交试验的结果进行了验证性试验,确定了对化学铣切表面粗糙度的影响程度依次为:Na2 S、溶解A l、TEA、N aOH,化学铣切溶液的最佳配方为:75~150 g/L NaOH,6~15 g/L Na2S,38.5~42.0 g/L TEA,溶解A l 32.5~12010 g/L。按该配方对2219铝合金筒段进行化学铣切,可达到最佳效果:表面粗糙度1.2~1.4?m、化学铣切壁厚公差≤0.12 mm、化学铣切轮廓线线偏离≤0.75 mm。
一、铝合金化学铣切
化学铣切，简称化铣，也叫做化学加工、湿腐蚀等，是一种相当古老的非传统加工工艺，它是将金属材料要加工的部位暴露在化学介质中进行腐蚀，而不需加工的部位则保护起来，以获得零件所需要的尺寸及形状。化学铣切与一般的机械加工有着本质区别，它是利用化学或电化学腐蚀原理加工零件，通过对化铣液有效的控制，从工件上预先确定的部位、范围及深度上除去基体材料，以获得所需的加工尺寸和尺寸精度，被加工的零件可整个表面蚀除，也可有选择、多台阶或成锥度地蚀除。化学铣切加工是对机械加工的补充和发展，弥补了机械加工所不及的范围，值得在实践上推广应用。铝合金化学铣切是现代航空材料加工方法中一种必不可少的加工方法，对成型零件加工可靠又有效，以其加工无应力的特点，应用越来越广泛，在现代加工结构中铝合金零部件所占比例很高。用氢氧化钠溶液腐蚀铝合金，主要作为铝合金表面处理的前处理和化学加工的重要手段而被广泛的采用。因此，对铝合金化学铣切加工的研究至关重要。
二、试验方法
1.试验材料及仪器。材料:2219铝合金板材,T62热处理状态(495。c固溶处理35~45 m in、190。c失效处理9~10h),尺寸200 mm x 150 mm x 6 mm。其成分含量(质量分数,%)为:5.8~6.8 Cu,0.2~0.4 M n,0.02~0.10 T,i 0.20~0.40 Zr,0.05~0.15 V,A l余量。仪器:CL304超声波测厚仪,Taylor H.obsonSurtron ic 3P光度计,游标卡尺,刻型样板。
2.工艺流程。工件表面预处理→涂胶保护→固化→刻型→装挂→化铣→出光→除胶→成品检验。
3.检验标准。采用CL304超声波测厚仪、Taylor HobsonSurtron ic 3P光度计分别测量化铣区的壁厚和表面粗糙度;用游标卡尺分别测量刻型样板的肋条尺寸和化铣后零件的肋条尺寸,以判定化铣轮廓线的线偏离。当壁厚公差满足0.15 mm,肋条公差满足1.00 mm,表面粗糙度小于3.2?m时,则认为零件已达到最佳化铣效果。
4.化铣原理。2219铝合金属于两性金属,通常采用N aOH、Na2S、三乙醇胺(TEA)、溶解A l作为腐蚀溶液。其中NaOH是主要的腐蚀剂,它与A l发生如下放热反应:
反应放出氢气,而N aA lO2仍留于溶液中。随着溶液中NaOH浓度的降低和NaA lO2含量的增加,反应速度逐渐下降,当发生如下水解作用时反应将停止:
N aA lO2+2H2O=A l(OH)3↓+N aOH
三、结果与讨论
1.化铣工艺优选。2219铝合金筒段的化铣框格小(仅20 mm x30 mm)而多(达68个)、深度大(达4.5 mm)、公差范围小(壁厚公差?0115 mm,肋条公差1.0mm),表面粗糙度小(R a≤3.2?m),且含铜量高于普通铝合金。因此,这类零件的化铣与普通零件的化铣存在着较大差异。针对N aOH、N a2 S、TEA、溶解A l 4个因素进行了4因素3水平正交试验,将温度控制在(852)0C内,化铣深度(5.00.2)mm,以表面光洁度为评判标准。根据正交试验的极差分析,溶液中N a2 S对试样的表面粗糙度影响最大,其次是溶解A、l TEA、NaOH的影响最小。根据正交试验得到的配方为:145 g/L N aOH,14.5 g/L N a2 S,40 g/LTEA,35 g/L溶解A l。
2.溶液成分的作用分析。N aOH作为主腐蚀剂,对化铣速率有决定性影响。N aOH浓度越高,化铣速率越快。同时,NaOH浓度对化铣表面光洁度也有影响,过高或过低都会降低表面光洁度。而且,若浓度过高,易对零件造成过腐蚀,使框格内的溶液来不及扩散,从而影响化铣轮廓线的线偏离。N a2 S在溶液中对化铣表面有整平和光亮作用,用于改善化铣表面光洁度。同时它也是辅助腐蚀剂,用于沉淀合金中所含的Cu,M n,Zn等金属元素,以免它们在化铣过程中与Al发生电偶腐蚀,从而形成粗糙表面。
3.工艺条件的影响。装挂时,零件应沿同一方向竖直装挂,零件之间、零件与槽壁之间的间隔不得小于150 mm,以防止化铣过程中因零件放热而导致局部过热,从而引起局部过腐蚀,而且还有利于化铣过程中零件的旋转。化铣前,用压缩空气对槽液搅拌2~3 m in,以消除槽液内部的温度梯度,避免温差引起零件上各框格的腐蚀速率不均而出现/锥度化铣0。随化铣的进行,化铣框格内(尤其是保护胶下面)会聚集越来越多的腐蚀产物,这些腐蚀产物使得框格内的溶液循环受阻,从而造成选择性腐蚀,使化铣轮廓线呈犬牙交错状。为避免出现这种情况,零件每化铣20 m in便沿顺时针(或逆时针)方向旋转90b,并将零件取出进行热水洗→出光→热水洗,从而消除腐蚀产物,保证溶液循环顺畅,同时用压缩空气搅拌槽液2~3 m in后再将零件放入化铣槽液中。为确定零件的化铣时间,应在化铣前将槽液调整至工作温度,将一块300 mm x 300 mm的与零件同材质、同热处理状态的试片放入槽中化铣10m in,取出测量其化铣深度,以此计算化铣速率,并通过此速率计算和确定零件的化铣时间。化铣溶液的温度对铣切速率的影响非常大,每升高200C,化铣速率V约加快2倍(13.0→42.0Lm/m in),其速率变化趋势见图1;
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图1温度对化铣速率的影响
同时,化铣表面粗糙度R a随之减小(R a的数值由650C的2.3 Lm降至85 0C的1.5 Lm),其变化趋势见图2
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图2温度对化铣表面粗糙度的影响
(图1,图2中试验参数:135 g/L NaOH,11.5 g/L N a2 S,40g/L TEA,45.5 g/L溶解Al。)
总之，2219铝合金筒段按照上述参数进行化铣能取得极佳的化铣结果,即:表面粗糙度1.2~1.4?m,化铣壁厚公差≤0.12 mm,化铣轮廓线线偏离≤0.75 mm,化铣表面质量满足了要求。
参考文献：
[1]张永昌.低温贮箱及铝锂合金的应用.2018.
[2]熊东平.浅谈铝合金筒段化学铣切工艺研究.2019.