温度因素对铝合金舱体加工精度影响研究

廖慧慧　陈继宁

摘 要：为提高某型号薄壁长筒铸铝合金舱体外圆机加工及检测精度，研究分析了材料热膨胀性能、加工中的热变形、检测中的环境温度等影响舱体尺寸的因素，并通过大量工艺试验摸索舱体热变形规律，提出温度补偿表应用的对策。

关键词：铸铝合金；薄壁舱体；机加工；热变形；补偿表

1 引言

ZL201是目前工业生产中使用较多的高强度铸造铝合金，其比重小而机械加工及表面处理性能优良，在室温和高温下具有较好的拉伸性、塑性和冲击韧性，因此主要以大型铸造受力结构件形式广泛应用于航空航天领域。但ZL201较大的膨胀系数也导致其在加工和使用中尺寸稳定性受温度影响较大，使产品制造和使用的经济性降低。本文通过对某薄壁长筒铸造铝合金舱体的加工质量提升进行工艺攻关，經大量工艺试验验证，掌握该舱体加工精度受温度因素变形的规律，为后续该类产品热变形补偿加工提供了借鉴。

2 零件外形特点及研制情况简介

某型号铸造铝合金舱体是该型号的关键结构件，如图1所示，舱体的长径比较大，壁薄，外圆尺寸及外圆与两端面垂直度公差要求均较高。前期通过对零件在加工中存在的易变形、易振动、零件尺寸及表面粗糙度不易保证等技术难点采取一系列工艺攻关措施，已经有效解决了该零件的一系列车削加工难题。零件加工时刀具和切削参数经过验证完全适合加工，加工过程中测量值与加工情况相符，但零件进入最终产品检测得出的数值与加工过程中检测的数值有很大偏差。

在客户对该舱体进行验收时，有20件外圆尺寸φ380±0.05超差，实测为：φ379.83～φ379.94，均为超下偏差，由于该尺寸超差，造成大量舱体报废。

3 影响因素分析

3.1 零件材料元素组成与物理特性影响分析

舱体的材料代号：ZL201 GB/T1173-1995，其金属牌号为ZAlCu5Mn，其化学成分如表2所示。

其中各元素的作用为：

Zn：和镁同时存在以提高机械加工性能；Mg：提高耐腐蚀性和机械强度，改善机械的加工性，降低比重；Cu：与固溶强化和时效强化有关，提高高温强度，提高机械的加工切削性；Mn：提高高温强度，减少铁的弊端；Ti：细化晶粒，改善伸缩性能，提高机械性能，提高耐热性，防止热断裂；Zr：细化晶粒，提高耐热性，防止热断裂；Fe、Si：杂质[1]。可见，ZL201属于高强度铝.铜系铸造合金，该化学元素组成在一定程度上决定了其物理性能，该合金强度高、比强度大、刚性大，经过固溶处理加自然时效（T5）后，布氏硬度（HBW）为90，抗拉强度为335MPa，伸长率（A）为4%，在0～100°C时线膨胀系数a为0.238×10-4，是普通碳钢（a=0.106×10-4）的两倍左右[3]，这么大的膨胀系数导致其尺寸在加工和检测中稳定性容易受到温度变化影响。

3.2温度因素分析

零件热变形主要由切削热导致，其热变形情况和加工方法与受热是否均匀有关。当零件均匀受热，冷却至室温，零件的直径和长度都会有所收缩，产生一定的尺寸误差；随着进一步的切削加工，零件的温度会逐渐升高，表面切去的金属层也越来越厚，受热不均匀，冷却后不但会产生圆柱度误差，并且会产生径向尺寸误差[3]。而该舱体加工机床没有冷却系统，在加工时，由于没有冷却液对舱体进行冷却，虽然大部分切削热被切屑带走，但还有少部分切削热是靠舱体的自身传导进行散发。

另外一个因素是生产厂房温度，该舱体加工车间非恒温加工车间，厂房的温度在夏季与冬季就有约30°温差，会较大地影响零件测量的真实值。对该舱体加工过程进行调查，发现该尺寸测量为临床测量，原因为该尺寸精度要求高，而且外圆和端面要求一次装夹加工完成，如果不在机床上测量，下机床后一旦出现尺寸超差，再次上机床返修加工，找正非常困难。因此加工中测量是与加工穿插进行的，零件加工过程中产生的大量切削热虽然被铝削带走，但零件温度不会立即降到最终测量用标准件的温度，而舱体验收时的温度为常温，也就是加工测量时零件温度高，验收时零件温度低，因此两次测量得到的值存在偏差。

4温度补偿技术理论分析及应用

4.1热变形理论公式

通过以上分析，按影响因素查阅资料得到由零件测量直径尺寸，零件温度值，测量用标准件（量具）温度值，零件膨胀系数和标准件（量具）材质膨胀系数对直径测量变化量之间的函数关系公式：

△ =（（ - ）* -（ - ）* ）*

公式中： △ -直径的变化； -零件温度； -零件的膨胀系数； -标准件（量具）的温度；

-标准件（量具）的膨胀系数； -测量直径的尺寸[2]。

根据上面的公式，现场加工中零件的直径尺寸应该为L +△L ，当△L 为负值时，零件的直径尺寸会变小，当△L为正值时零件的尺寸会变大。

4.2 舱体温度补偿表建立

由于温度有一个变化范围，操作工人不可能在每次测量后都进行一次繁琐的计算，为了方便直接应用，随时查看变化量，根据公式： 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，称为温度补偿表，见表3，表格里编辑了计算需要的每个元素以及计算公式。该表格已经将需测量的外圆尺寸及对应的材料膨胀系数，标准件（量具）的膨胀系数设为常量，而由于标准件热膨胀系数较小，可近似为加工现场室温。因此在使用时仅需测量零件温度及加工室温，即可查找到对应的理论舱体外圆尺寸，按该值进行±0.05控制加工精度即可。该Excel表格也适用于其他材料零件，使用时仅需在表格中更改需测量的零件尺寸和零件材料膨胀系数即可[4]。

若加工条件有限，没有测量舱体温度的温度测量计，就需将舱体加工后冷却至室温，此时舱体温度与室温一致，仅需用常用的温度计即可测得零件与室温温度，同样按补偿表查找相应尺寸值即可。当零件温度和标准件温度（室温）都是20℃时，零件的尺寸不会发生变化。

有了温度补偿表大大方便了温度补偿技术在实际加工中的应用，条件允许的情况下，最好采用精度为O.5℃的温度测量计。标准件的温度测量完成后就可以通过表格查找出直径的变化量，然后根据变化量补偿加工零件。

5实验验证

5.1温度补偿表可靠性验证

为了验证热变形对舱体尺寸的影响及温度补偿表可靠性，抽2台舱体按照正常的加工流程进行加工和测量，对比刚车完在机床上测量和下机床5h让零件充分冷透后的测量结果，对比情况见表4。

冷透的舱体约为常温20°，标准件（量具）温度约为室温20℃，刚车完在机床上测量的零件舱体温度约为30°C。按补偿表查，零件尺寸应为φ380.090，故在机床上测量（30°C时）和下机床5h后（常温20℃時）测量结果理论上相差0.090左右。对比2台舱体测量结果，刚加工完与完全冷却后外圆尺寸相比分别相差0.081与0.090，与温度补偿表查得参数0.090基本相符。

5.2热变形影响实验验证

为进一步验证和摸索热膨冷缩对该外圆尺寸的影响，将上述2台舱体分别在环境试验箱中30°C、40°C、50°C保温5h后进行测量，测量结果详见表5

由图可直观地看到，舱体外圆尺寸φ380±0.05加工与测量受舱体温度因素影响较大，造成本批舱体验收不合格的主要原因可确定为加工测量时未考虑零件热变形，并且，舱体温度补偿表再次被证明与实际实验数值接近，经验证具有一定实用及可靠性，温度补偿技术应推广应用于大型薄壁铝合金类零件的加工和检测中。

5总结

通过对某薄壁铸铝合金舱体验收时外圆尺寸超差的问题进行原因查证分析，并提出相应解决措施，避免问题的重复发生，从而引申出温度补偿技术的应用，保证了在各种环境中不同材质零件都能得到真实的测量值。该技术的应用在实践中被证实能有效提高大型薄壁铝合金零件的加工质量，应大力推广应用到航天航空精密加工领域中。

参考文献：

[1] 全国铸造委员会.GB/T 1173-2013铸造铝合金.中国标准出版社，2014

[2] 刘仁家，陶性华.机械设计师手册.机械工业出版社，1978

[3] 王先逵.机械加工工艺手册.机械工业出版社，2006

[4] 何东敏，王琪等.大型薄壁铝合金零件温度补偿技术.沈阳，2012