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【摘 要】本文拟对铝合金蒙皮锯齿形浅台阶结构化铣加工液中的添加剂进行研究，研究出一种适合铝合金精密化学铣切的复合添加剂，以提高其加工性能。研究结果表明，硫脲和LN可以配置为铝合金化铣加工液中的复合添加剂HR901，其化铣适宜的浓度范围为0.2-0.6g/L。随着复合添加剂HR901浓度的增加，化铣表面粗糙度降低，试样基体与化铣区域的圆弧过渡区域细腻光滑。
【关键词】铝合金 化学铣切 添加剂 表面粗糙度
一、引言
铝合金化学铣切（简称“化铣”）是飞机制造和武器装备研制中的一种重要的、不可缺少的关键技术之一。化铣加工广泛应用于加工薄壁、厚壁零件，以加工形状复杂及曲线准确的零部组件，化铣同样可减小组件如机翼等的质量 [1，2]。目前，铝合金化学铣切工艺在精度上尚达不到更高的技术要求，本文拟在铝合金蒙皮锯齿形浅台阶结构化铣加工中化学铣切液的添加剂进行研究，研究出一种适合铝合金高精密化铣的复合添加剂，以提高其加工精度。
二、实验
（一）试片
采用航空用2024（Al-Cu-Mg）铝合金。试样主要成分如表1所示。
试样规格： 40 mm×30 mm×3.0 mm。
（二）工艺流程
试片打磨→冷水洗→化学除油→热水洗→冷水洗→碱蚀→热水洗→脱氧处理→热水洗→吹干→涂胶→干燥固化→刻型→测量→装挂→化铣加工→热水洗→冷水洗→脱氧处理→冷水洗→吹干→测量→除保护胶。
化学除油工艺参数为，NaOH 60～80 g/L，Na2CO3 20～40 g/L，Na3PO4 20～40 g/L，Na2SiO3 3～10 g/L，温度 70～90 ℃，时间除尽为止[3] 。碱蚀工艺参数为，NaOH 120～150 g/L，温度 80～90 ℃，时间6～8 s。脱氧工艺参数为，HNO3 8～10%，CrO3 45～60g/L，HF 1～2%，表面洁净为止。化铣加工时将化铣件垂直吊挂在装有化铣槽液的烧杯中，采用恒温水浴锅加热，化铣槽液配方和工艺参数如下[4]：NaOH 120～180g/L，TEA（三乙醇胺）40～60g/L，Na2S 15～30g/L，Al3+ 5～80g/L，温度 90～100℃。
（三）性能测试
1.化学铣切加工速度
铝合金化学铣切加工速度影響加工效率，化学铣切加工深度与时间在理论上成正比[5]。采用螺旋测微计测量化铣深度，秒表计时。
2.表面粗糙度
一般是由所采取的加工方法或其他因素形成的。表面粗糙度是衡量化铣性能高低的重要指标之一，要求化铣表面粗糙度Ra≤1.6μm。
3.浸蚀比
铝合金化铣过程中，要求浸蚀比在一个比较稳定的小范围之内，以便刻型时模具的制作。浸蚀比是化铣件的横向腐蚀长度与纵向腐蚀长度（即腐蚀深度）之比，分别采用游标卡尺和螺旋测微计测量[6]。
4.加工精度
加工精度是影响化铣性能的重要指标，指理论化铣深度与实际化铣深度之间的偏差。
三、结果与讨论
（一）复合添加剂的选择
碱蚀添加剂主要是对铝合金表面起到整平和缓蚀作用，还具有抑垢效能。碱蚀添加剂必须保证表面均匀腐蚀。在化铣液中加入添加剂，可是铝合金表面达到外观要求，同时其成分中络合剂的作用，与Al3+形成络合物。根据粘膜理论，在金属表面凸峰处，腐蚀产物容易移去，腐蚀速度快，而在凹处，腐蚀产物Al3+等不易迁移，粘度较大，腐蚀速度降低。这种凸凹处腐蚀速度的不平衡，从而达到整平的目的。
铝合金化学铣切是在高温、浓碱的环境中进行的，因此选择添加剂的原则是必须能在高温（95℃或更高）、强碱的环境中存在不易分解，且必须保证试样在化铣后浸蚀比在一定的公差范围内。
现有市场上铝合金化铣中使用的添加剂是一种混合物，其中有些成分是有对化铣有用，而很多成分没用甚至有害。一旦市售产品改型，会影响到实际生产，因此，我们要选择成分可知可以直接购买的化工原料为添加剂。对市售添加剂成分初步分析，其有用的成分主要是表面活性剂。表面活性剂主要分离子型表面活性剂以及非离子型表面活性剂，而离子型又分阴离子型、阳离子型和两型离子型三种。
本文在并参考国外化铣的专利及相关资料，对添加剂进行筛选和比较，分析添加剂在提高表面质量和加工精度等方面的影响，确定适合铝合金的精密化铣加工的复合型添加剂。验中可选用的表面活性剂主要有乙醇、乳化硅油、十二烷基硫酸钠，硫脲、羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等。
由表2可以看出，四种添加剂的化铣速度和浸蚀比相当，但添加剂LN的粗糙度最低，十二烷基硫酸钠浊点低，易受高温分解，在铝合金化铣液中不稳定。硫脲和添加剂LN均有良好的水溶性、化铣后圆弧过渡区均较光滑、浸蚀比相当、粗糙度相对较低。所以选择LN和硫脲为适宜的添加剂进行配置复合添加剂。
（二）复合添加剂的范围控制
（a）无添加剂；（b）HR901 0.2g/L；（c）HR901 0.4g/L ；（d）HR901 0.6g/L；（e） HR901 0.8g/L
从表3可以看出，添加剂HR901的浓度变化对化铣速度的影响很小，均在42.0 ?m/min左右。无添加剂HR901化铣时，粗糙度相对有时很大为0.8 ?m，且加工精度偏差大，为0.015?m。但随着添加剂HR901的浓度由0.2 g/L增加至0.8 g/L时，粗糙度变化很小，呈逐渐下降趋势，当添加剂的浓度大于0.8g/L时，在升温通空气搅拌时产生的泡沫很多，不利于清洗，因此，在化铣液中复合添加剂HR901的浓度以0.2-0.6g/L为宜。
从图1可以看出， 图1（a）为铝合金在未加添加剂在槽液中化铣深度1.0mm时的表面，其表面粗糙出现波痕，且A与B之间的过渡区域不光滑平整（其中A为化铣区域，B为基体）。图1（b）、1（c）、1（d）的化铣表面平整细腻，过渡区域较光滑平整。图1（e）的化铣表面也比较粗糙。过渡区域也不够光滑平整。因此，铝合金的化铣加工随LN浓度的增加表面粗糙度下降，复合添加剂HR901可以降低表面粗糙度，且使试样基体与化铣区域的圆弧过渡区光滑，使轮廓线平整。添加剂的加入，可以使过渡区域的胶层与基体缝隙间的沉淀附着物易脱落，减小电偶作用，从而使波痕不存在，过渡区域光滑。
由以上分析可知，复合添加剂添加剂HR901可以使化铣时附着在化铣面的沉淀较容易脱落，减小电偶腐蚀作用，从而降低表面粗糙度，使圆弧过渡区光滑。
四、结束语
（一）硫脲和LN为铝合金化铣中适宜作为配置复合型添加剂HR901，其浓度控制范围为0.2-0.6g/L。
（二）复合添加剂HR901对化铣化铣性能影响很大，能降低化铣表面粗糙度，可以使试样基体与化铣区域的圆弧过渡区域光滑、细腻。
参考文献：
[1] Dini，J.W.， Fundamental of chemical milling[J].American Machinist，1984： 13-128
[2] McCallion，H.，High production chemical milling[J].prod.Eng， 1987：66
[3] 于芝兰.铝合金腐蚀加工的现代技术[J].轻合金加工技术，1994，22（12）：27-31
[4] 中国航空工业第一集团公司.HB/Z 5125-2008，铝合金在碱性溶液中化学铣切工艺.北京：中国航空综合技术研究所出版，2008
[5] Muller H.The chemical millinging of etc materials[J].ASTM.ET Technical paper，1987，2：486.
[6] 王立娟，孙珍珠.机械加工中的化学铣切[J].黑龙江科技信息，2003，8：27.
作者简介：
尚佳阳（1992.3），男，汉族，江西丰城人，南昌航空大学材料学院，本科在校生，金属材料工程专业腐蚀与防护方向。
陈玮 、王强 （ 南昌航空大学材料学院 本科在校生）
刘刚 南昌航空大学材料学院
【关键词】铝合金 化学铣切 添加剂 表面粗糙度
一、引言
铝合金化学铣切（简称“化铣”）是飞机制造和武器装备研制中的一种重要的、不可缺少的关键技术之一。化铣加工广泛应用于加工薄壁、厚壁零件，以加工形状复杂及曲线准确的零部组件，化铣同样可减小组件如机翼等的质量 [1，2]。目前，铝合金化学铣切工艺在精度上尚达不到更高的技术要求，本文拟在铝合金蒙皮锯齿形浅台阶结构化铣加工中化学铣切液的添加剂进行研究，研究出一种适合铝合金高精密化铣的复合添加剂，以提高其加工精度。
二、实验
（一）试片
采用航空用2024（Al-Cu-Mg）铝合金。试样主要成分如表1所示。
试样规格： 40 mm×30 mm×3.0 mm。
（二）工艺流程
试片打磨→冷水洗→化学除油→热水洗→冷水洗→碱蚀→热水洗→脱氧处理→热水洗→吹干→涂胶→干燥固化→刻型→测量→装挂→化铣加工→热水洗→冷水洗→脱氧处理→冷水洗→吹干→测量→除保护胶。
化学除油工艺参数为，NaOH 60～80 g/L，Na2CO3 20～40 g/L，Na3PO4 20～40 g/L，Na2SiO3 3～10 g/L，温度 70～90 ℃，时间除尽为止[3] 。碱蚀工艺参数为，NaOH 120～150 g/L，温度 80～90 ℃，时间6～8 s。脱氧工艺参数为，HNO3 8～10%，CrO3 45～60g/L，HF 1～2%，表面洁净为止。化铣加工时将化铣件垂直吊挂在装有化铣槽液的烧杯中，采用恒温水浴锅加热，化铣槽液配方和工艺参数如下[4]：NaOH 120～180g/L，TEA（三乙醇胺）40～60g/L，Na2S 15～30g/L，Al3+ 5～80g/L，温度 90～100℃。
（三）性能测试
1.化学铣切加工速度
铝合金化学铣切加工速度影響加工效率，化学铣切加工深度与时间在理论上成正比[5]。采用螺旋测微计测量化铣深度，秒表计时。
2.表面粗糙度
一般是由所采取的加工方法或其他因素形成的。表面粗糙度是衡量化铣性能高低的重要指标之一，要求化铣表面粗糙度Ra≤1.6μm。
3.浸蚀比
铝合金化铣过程中，要求浸蚀比在一个比较稳定的小范围之内，以便刻型时模具的制作。浸蚀比是化铣件的横向腐蚀长度与纵向腐蚀长度（即腐蚀深度）之比，分别采用游标卡尺和螺旋测微计测量[6]。
4.加工精度
加工精度是影响化铣性能的重要指标，指理论化铣深度与实际化铣深度之间的偏差。
三、结果与讨论
（一）复合添加剂的选择
碱蚀添加剂主要是对铝合金表面起到整平和缓蚀作用，还具有抑垢效能。碱蚀添加剂必须保证表面均匀腐蚀。在化铣液中加入添加剂，可是铝合金表面达到外观要求，同时其成分中络合剂的作用，与Al3+形成络合物。根据粘膜理论，在金属表面凸峰处，腐蚀产物容易移去，腐蚀速度快，而在凹处，腐蚀产物Al3+等不易迁移，粘度较大，腐蚀速度降低。这种凸凹处腐蚀速度的不平衡，从而达到整平的目的。
铝合金化学铣切是在高温、浓碱的环境中进行的，因此选择添加剂的原则是必须能在高温（95℃或更高）、强碱的环境中存在不易分解，且必须保证试样在化铣后浸蚀比在一定的公差范围内。
现有市场上铝合金化铣中使用的添加剂是一种混合物，其中有些成分是有对化铣有用，而很多成分没用甚至有害。一旦市售产品改型，会影响到实际生产，因此，我们要选择成分可知可以直接购买的化工原料为添加剂。对市售添加剂成分初步分析，其有用的成分主要是表面活性剂。表面活性剂主要分离子型表面活性剂以及非离子型表面活性剂，而离子型又分阴离子型、阳离子型和两型离子型三种。
本文在并参考国外化铣的专利及相关资料，对添加剂进行筛选和比较，分析添加剂在提高表面质量和加工精度等方面的影响，确定适合铝合金的精密化铣加工的复合型添加剂。验中可选用的表面活性剂主要有乙醇、乳化硅油、十二烷基硫酸钠，硫脲、羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等。
由表2可以看出，四种添加剂的化铣速度和浸蚀比相当，但添加剂LN的粗糙度最低，十二烷基硫酸钠浊点低，易受高温分解，在铝合金化铣液中不稳定。硫脲和添加剂LN均有良好的水溶性、化铣后圆弧过渡区均较光滑、浸蚀比相当、粗糙度相对较低。所以选择LN和硫脲为适宜的添加剂进行配置复合添加剂。
（二）复合添加剂的范围控制
（a）无添加剂；（b）HR901 0.2g/L；（c）HR901 0.4g/L ；（d）HR901 0.6g/L；（e） HR901 0.8g/L
从表3可以看出，添加剂HR901的浓度变化对化铣速度的影响很小，均在42.0 ?m/min左右。无添加剂HR901化铣时，粗糙度相对有时很大为0.8 ?m，且加工精度偏差大，为0.015?m。但随着添加剂HR901的浓度由0.2 g/L增加至0.8 g/L时，粗糙度变化很小，呈逐渐下降趋势，当添加剂的浓度大于0.8g/L时，在升温通空气搅拌时产生的泡沫很多，不利于清洗，因此，在化铣液中复合添加剂HR901的浓度以0.2-0.6g/L为宜。
从图1可以看出， 图1（a）为铝合金在未加添加剂在槽液中化铣深度1.0mm时的表面，其表面粗糙出现波痕，且A与B之间的过渡区域不光滑平整（其中A为化铣区域，B为基体）。图1（b）、1（c）、1（d）的化铣表面平整细腻，过渡区域较光滑平整。图1（e）的化铣表面也比较粗糙。过渡区域也不够光滑平整。因此，铝合金的化铣加工随LN浓度的增加表面粗糙度下降，复合添加剂HR901可以降低表面粗糙度，且使试样基体与化铣区域的圆弧过渡区光滑，使轮廓线平整。添加剂的加入，可以使过渡区域的胶层与基体缝隙间的沉淀附着物易脱落，减小电偶作用，从而使波痕不存在，过渡区域光滑。
由以上分析可知，复合添加剂添加剂HR901可以使化铣时附着在化铣面的沉淀较容易脱落，减小电偶腐蚀作用，从而降低表面粗糙度，使圆弧过渡区光滑。
四、结束语
（一）硫脲和LN为铝合金化铣中适宜作为配置复合型添加剂HR901，其浓度控制范围为0.2-0.6g/L。
（二）复合添加剂HR901对化铣化铣性能影响很大，能降低化铣表面粗糙度，可以使试样基体与化铣区域的圆弧过渡区域光滑、细腻。
参考文献：
[1] Dini，J.W.， Fundamental of chemical milling[J].American Machinist，1984： 13-128
[2] McCallion，H.，High production chemical milling[J].prod.Eng， 1987：66
[3] 于芝兰.铝合金腐蚀加工的现代技术[J].轻合金加工技术，1994，22（12）：27-31
[4] 中国航空工业第一集团公司.HB/Z 5125-2008，铝合金在碱性溶液中化学铣切工艺.北京：中国航空综合技术研究所出版，2008
[5] Muller H.The chemical millinging of etc materials[J].ASTM.ET Technical paper，1987，2：486.
[6] 王立娟，孙珍珠.机械加工中的化学铣切[J].黑龙江科技信息，2003，8：27.
作者简介：
尚佳阳（1992.3），男，汉族，江西丰城人，南昌航空大学材料学院，本科在校生，金属材料工程专业腐蚀与防护方向。
陈玮 、王强 （ 南昌航空大学材料学院 本科在校生）
刘刚 南昌航空大学材料学院