低熔点合金在薄壁零件加工中的应用

西安航空动力控制公司 (陕西 710077)赵兴龙 李 春 廖晓文 徐 敏

1.零件分析

所要加工的活门壳体零件如图1 所示，材料1Cr17Ni2，零件最大尺寸φ 41.5mm×103mm、硬度28～35HRC;批量100 件/月;要求零件加工后表面粗糙度值Ra=1.6μm，小孔孔壁表面粗糙度Ra=3.2μm，零件壁厚1.6mm，属于典型的薄壁类零件。

图1 工件

图1 所示的零件，钻削φ1.5mm×252 个小孔不产生变形并去除孔口毛刺，是零件加工的的难点之一。曾使用振动光饰机，通过零件与磨料发生摩擦来去除毛刺，经过多次试验，均未达到产品的质量要求;也曾使用人工刮削的方法去除毛刺，但由于人为因素影响较大，零件变形也无法避免，效果不理想。而采用低熔点合金(或其他低熔点非金属材料混合物)，类似铸造原理，在零件空腔内加注熔化的合金，使零件成为实心刚性体，零件的装夹定位及加工就会变得很容易。由于零件刚性提高，又有合理的装夹定位基准面，零件的变形就得到了控制，并且零件与低熔点合金在加工时，不存在间隙。低熔点合金在加热熔化后，灌注到零件内腔中，低熔点合金冷却凝固后，进行钻孔加工，孔口的进出口处只会产生锐边而不会产生毛刺，后续通过光饰加工就可以保证产品的质量，大大提高零件的加工精度。加工完毕，加热使低熔点合金熔化，由于温度低，不会影响零件的材料状态，也不会引起零件的变形，零件不损伤，得到高精度的复杂薄壁零件。

2.工艺研究

钻削加工是利用刀具旋转进行切削加工，在钻头进入和脱离工件的时候都伴随着刀刃不断的进出变化。在通孔钻削时，由于工件底部支撑强度的减少，底部材料发生强烈的塑性变形，随着钻头的进给，部分材料被顶出，而不是随着钻头的螺旋槽排出，部分切屑残留在工件上，最终形成了钻削切出毛刺。在活门壳体零件的钻孔加工中，先将零件内、外形车削加工完毕，将已选定的按成分配制好的低熔点合金加热至熔融态，灌注到壳体内膛中，待低熔点合金冷却凝固后，再进行进行零件的钻削加工，加工完毕后熔去低熔点合金，小孔出口处不会再产生残留毛刺，直接进行光饰加工，就可以尺寸和形位精度的检测，并且低熔点合金回收后可循环使用。活门壳体加工工艺流程如图2 所示。

在小孔钻削前，用专用堵头将零件下端封堵住，将固体的低熔合金放入铁盒或坩埚中，再慢慢将其融化，然后顺着零件的上端面入口将液化的低熔点合金注入到钻孔区域，待低熔点合金冷却固化后，然后进行钻小孔操作，小孔加工完毕，将零件放入装中开水的水盆中，取除堵头，将低熔点合金倒出，完成一个零件从灌注到小孔加工的全过程。整批零件加工完成后，对低熔点合金回收，以便下回使用。

3.低熔点合金的特性与配制

在零件的机械加工过程中，采用水基乳化液进行冷却，使得零件加工部位得到了充分的冷却，但由于是多孔加工，热量不容易及时散发出来.通过测量可知，钻孔加工后产生的温度可以控制在60℃以下，为了保证低熔点合金在工件加工过程中不熔化，要求所选择的低熔点合金不低于60℃;在零件加工完毕后，去除辅助灌注的低熔点合金时，为了不改变零件材料的性能状态，所选用的低熔点合金的熔点要低于零件本身材料的退火温度，所以选择的低熔点合金的熔点要远低于300℃;考虑到加热设备与操作方便，认为文中所示零件加工时灌注的低熔点合金的熔点应选择70～120℃比较理想。

(1)低熔点合金的特性 熔点低于232℃ (锡的熔点)的合金，又称低熔点合金，低熔点合金熔点有47℃、64℃、70℃、92℃、102℃、120℃、138℃、144℃、180℃等多种选择。低熔点合金主要是由低熔点金属铋(Bi)、铅(Pb)、锡(Sn)、铟(In)、镉(Cd)以及锌(Zn)等元素构成的二元系或多元系合金。铅的熔点为327℃，铋的熔点为271℃，锡的熔点为232℃，锌的熔点为419℃，镉的熔点为321℃，铟的熔点为156℃。其中以铋(Bi)金属元素为主要金属组成的低熔点合金具有热缩冷胀的特性;以铟(In)金属元素为主要金属组成的低熔点合金具有热胀冷缩性质;而以铋(Bi)、铅(Pb)、锡(Sn)、镉(Cd)按不同重量比组合而成的低熔点合金，加热熔化后具有良好的流动性，并且熔点可通过重量比的不同在50～100℃中选择，可采用水浴法或者油浴法将其熔化，在室温条件下强度为30MPa，延伸率3%，硬度为25HBS。

(2)低熔点合金的配制 根据文中零件材料及加热设备与操作方法的简便，选择以铋 (Bi)、铅(Pb)、锡(Sn)、镉(Cd)按不同重量比组合而成的低熔点合金，并要求熔点在70℃以上，加工完毕后采用水浴化熔化，因而要求熔点在96℃以下，在此温度低熔点合金的配制经过试验可得到如附表所示的配方。

70～96℃低熔点合金的配方表

在低熔点合金的的配制过程中，应严格按附表执行，在铁盒或坩埚中熔化原料，先放入熔点较高的金属，待熔化后再依金属的熔点由高到低依次加入，铁盒或坩埚不得有油污和锈蚀，原料熔化时用铁棒不断搅拌，将金属氧化物、杂质清理干净;也可将配制好的低熔点合金按图2 直接放入到零件中，加热至熔点温度，但应控制温度，避免过热。在低熔点合金的使用和回收过程中，应避免污染，及时清理合金液中的金属屑，一般随着灌注次数的增加，低熔点合金循环使用超过3 次以后，低熔点合金中一些合金成分就会发生损耗，造成合金成分组成发生改变，从而引起低熔点合金熔点变化。因此需要定期对低熔点合金成分及熔点进行检测，对一些结构复杂的零件，低熔点合金只允许一次性使用。

4.结语

通过上述切削试验结果及分析，得到如下结论:

(1)利用铋 (Bi)、铅 (Pb)、锡 (sn)、镉(cd)等熔点较低的金属元素，可以配制出多种熔点的合金。改变低熔点合金的各成分的配比，既可以改变合金的熔点。

(2)用低熔点合金作为灌注填充料，提高了薄壁活门壳体的刚性，方便容易地去除了零件钻孔后产生的毛刺，低熔点合金常温性能稳定，可以很好地控制尺寸变化，有效解决壳体薄壁易变形问题。

(3)对于薄壁精密复杂件的加工，采用低熔点合金作填充物，可以很好的控制加工变形，提高零件的工艺性。