CN111571291B - 一种填充材料及填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填充材料及填充方法，用于解决铝合金薄壁管类零件及整体叶轮薄壁叶片在车削过程中的加工变形及切削震动控制问题，进而达到最终零件尺寸及型面精度要求。本发明利用以尿素为基础的二元低共熔点填充材料将薄壁零件中的薄壁片与薄壁片连成一个整体，也将薄壁与填充材料形成类似一个实体，减少了加工过程薄壁的切削振动现象，同时减少了薄壁切削不均匀造成的零件变形，从而提高薄壁零件的加工精度。

Description

一种填充材料及填充方法

技术领域

本发明涉及铝合金薄壁管类零件及整体叶轮薄壁叶片车削过程中的加工变形及切削震动控制方法，特别是用于将铝合金薄壁管类零件及整体叶轮薄壁叶片形成近似实体的填充材料以及该填充材料的填充方法。

背景技术

当前，薄壁管类零件及叶轮薄壁叶片在加工过程中，用以往的加工方案无法满足设计要求。例如叶轮薄壁叶片，其薄壁的厚度：0.2～3mm，叶片的高度：50～100mm，长度弧长150～200mm，由于机械切削加工过程产生切削震动，零件表面光洁度差及外圆切削变形，零件尺寸不容易保证。实际加工结果表现为：零件尺寸最大相差2mm左右，粗糙度在3.2～6.4之间。偏离设计要求，造成批量报废。上述情况使产品在实现过程中出现了工艺技术瓶颈，无法完成产品交付，已严重影响到科研生产进度。

发明内容

针对以上问题，本发明旨在提供一种填充材料及填充方法，可以在薄壁结构(薄壁片)之间填充材料，使填充的材料与薄壁形成一个近似实体。避免薄壁零件装夹变形，降低加工过程中薄壁零件振动，提高切削平稳性、提高零件表面质量，减少薄壁尺寸误差。

本发明采用的技术方案如下：

一种填充材料，包括尿素和一种易溶于水的化合物，尿素和该化合物混合后形成低共熔点尿素混合物，混合物液化后用于填充薄壁零件中的空隙位置，然后凝固并与薄壁零件形成实心的一体结构。

进一步，所述化合物包括磷酸铵、氯化钾、硼酸钠、苯甲酸钠、丙酰胺、乙酰胺，且填充材料还包括纤维，所述纤维分散在实心的一体结构内，且纤维的走向沿着薄壁零件的薄壁结构轮廓方向。

优选的，所述薄壁零件为叶轮薄壁叶片和薄壁管类零件。

一种前述填充材料的填充方法，包括以下步骤：

第一步：根据待加工零件外径尺寸选用一块表面光滑的平板作为放置零件的底板，弯曲一块薄板使其沿着零件外周向封闭并包裹住零件，且薄板的内表面尽可能与零件贴合；

第二步：在待加工零件底层与平板之间铺设一层固体尿素，在薄板形成的封闭区域内且位于待加工零件的薄壁结构附近放置零散的纤维；

第三步：将液化的低共熔点尿素混合物浇注到薄板形成的封闭区域内；

第四步：低共熔点尿素混合物浇注后冷却凝固并与待加工零件形成整体实心坯料。

优选的，第四步形成的坯料待加工时间不超过24h,坯料储存的环境湿度控制在20％～60％之间。

优选的，所述第二步中，纤维为植物纤维，包括麻、稻秆、树叶或者布丝。

优选的，所述第二步中，固体尿素铺设层与平板上表面之间铺设有牛皮纸。

优选的，所述第三步中，分多次浇注液化的低共熔点尿素混合物，且每次浇注液化低共熔点尿素混合物的厚度范围为3～20mm。

作为一种选择，分多次浇注液化的低共熔点尿素混合物时，待上一次浇注的液化(液体)低共熔点尿素混合物表层快凝固时再浇注下一层低共熔点尿素混合物(液体)，循环操作。

作为另一种选择，分多次浇注液化(液体)的低共熔点尿素混合物时，每浇注完一次液化(液体)低共熔点尿素混合物，在液化(液体)低共熔点尿素混合物表面铺设一层固体尿素。

优选的，所述第一步之前，控制环境温度与湿度，其中浇注温度控制在室温20℃，湿度控制在20％～60％。

本发明可应用于铝合金薄壁管类零件及整体叶轮薄壁叶片，在车削过程中通过控制加工变形及切削震动，从而达到最终零件尺寸及型面精度要求。

本发明利用填充材料将薄壁零件的薄壁片结构与薄壁片结构连成一个整体，也将薄壁与填充材料形成类似一个实体，减少了加工过程薄壁的切削振动现象，同时减少了薄壁切削不均匀造成零件变形，从而提高了薄壁零件的加工精度。

本发明以尿素为基础，选择一种可与尿素形成低共熔点的化合物，使得二者的混合物能够在较低温度下(低于纯尿素的熔点)熔化成液态，符合浇注条件。进一步，根据选择的化合物不同，混合比例不同，这种二元混合物有足够宽的熔点范围和强度范围，适合于不同结构、形状的薄壁件，便于加工人员根据不同的零件特性进行调整和选择。并且，由于二元混合物均易溶于水，几乎没有腐蚀性，污染小，因此加工成型后可以很方便的在常温下用水溶解去除掉与零件形成一体的混合物，避免高温溶解或者加热溶解或者有机溶剂溶解产生的高温变形、表面腐蚀、污染环境等不良后果。

附图说明

图1为本发明中涉及的风机叶轮的结构示意图；

图2为本发明中风机叶轮的浇注示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

如图1所示，需对该风机叶轮进行切削加工，本实施例中采用填充材料填充风机叶轮结构中薄壁叶片与薄壁叶片间的空隙区域，形成一体化的实体结构。解决现有机械切削过程中易出现的尺寸变形超差，产品表面粗糙度不合格等问题。

首先，是选取填充材料，选取的填充材料需有以下特点：

①膨胀系数要小；

②填充材料具有良好的切削性能；

③填充材料具有良好的结和性和可脱离性；

④具有较低的熔点(便于材料液固态的转化)；

⑤具有良好的强度和刚性及吸震性。

根据以上的5点要求，常见的填充材料有如下表1所示，

表1：填充材料的性能

鉴于现有化合物中，磷酸铵、氯化钾、硼酸钠、苯甲酸钠、丙酰胺、乙酰胺都易溶于水，且与尿素形成的二元混合物熔点可调并低于纯尿素的熔点，因此可采用二者的混合物作为填充材料。

例如，尿素与氯化钾按照1:3的质量比混合时，其混合物熔点约为112℃，尿素与氯化铵按照3:17的质量比混合时，其混合物熔点约为101℃，因此可根据铝合金整体叶轮薄壁叶片或薄壁管类零件的加工需求选择合适的二元混合物，确保混合物的熔点尽量低的同时不影响混合物与零件形成的一体坯料具备较好的加工强度。

本实施例中，考虑到铝合金整体叶轮薄壁叶片的特性和加工需求，选用尿素与丙酰胺等质量(1:1)混合的方式形成低共熔点尿素混合物，该低共熔点尿素混合物的熔点约为70℃。其中，尿素为颗粒型,颗粒直径1.18mm～3.35mm，含氮量≧46.3％，丙酰胺为片状固体。

一般情况下，上述低共熔点混合物材料的填充按照如下步骤实施：

在进行浇注之前，需对浇注的环境进行控制，其温度与湿度会影响填充材料的结合率、致密性，因此浇注温度控制在室温(20℃)，湿度控制在20％～60％之间，然后进行下面步骤。

第一步：根据待加工零件选用一块光滑平板，用薄壁钢皮将零件圈住，尽可能让零件与薄壁钢皮形成的圆圈贴合，选取的钢皮厚度在0.1～1mm之间；

第二步：在零件底层铺一层固体尿素，铺设的这层固体尿素的高度可以根据零件大小来选取，通常在1～7mm，并在零件内部放置一些零散的纤维(这里指植物纤维：麻、稻秆、树叶或者布丝等等)；

第三步：将液化的低共熔点尿素混合物浇注到薄壁钢皮圆圈内，浇注液化的低共熔点尿素混合物的厚度根据零件的大小选取，通常控制在3～20mm；

第四步：待液态低共熔点尿素混合物表层快凝固时(凝固的时间根据浇注液体的厚度选取，通常在3～20min)，再继续浇注，可循环多次操作，直到全部浇注完填充物液体；

第五步：低共熔点尿素混合物浇注后冷却凝固形成的坯料待加工时间(T)不超过24h,即：T≤24h，湿度(E)控制在20％～60％之间，即：E＝20％～60％。

根据表1中列举的填充材料的性能要求，根据工艺性能、原材料的操作简易程度、成本高低，最终选择尿素作为本实施例的填充材料；零件选取某风机叶轮，叶轮的基本参数为：叶轮的直径：

高度：90mm，叶片的厚度：0.7～1.3mm，叶片的高度：33mm，叶片的弧长173mm，具体零件图示参考图1。

具体的叶轮填充材料操作步骤如下：

①干燥叶轮零件，包括干燥箱的参数调节：温度：20℃，湿度：55％，并使参数在设备中成稳定值，然后将叶轮零件放入干燥箱，并使零件在干燥箱内保持5min。控制零件表面湿度，目的是提高零件与填充材料(低共熔点尿素混合物)的结合率及致密度。

②浇注前准备，选取一块表面光滑的平板作为放置叶轮零件的底板，并在平板上铺一张牛皮纸，防止填充材料与底板结合，然后用薄壁钢皮(厚度约为0.5mm)包围零件，形成一个管状，并尽可能的使钢皮与叶轮零件贴合，这样可使填充材料周向均匀。

③在零件与牛皮纸接触的一整圈铺一层固体尿素，这层固体尿素的厚度约为4mm，固体尿素具有吸热效果，可以启到降温效果，减少叶片的变形然后选用纤维(取材容易，选取布丝或细长的布条，长度约173mm)，其纤维摆放沿叶片的延伸方向，能够提高填充材料尿素的结合率。

④常温下，用一个钢制盆盛装尿素与丙酰胺，尿素与丙酰胺按照1：1等质量混合作为低共熔点尿素混合物，然后逐渐加热升温，在加温到70℃时达到混合物的共熔点，作为填充材料的低共熔点尿素混合物熔化，需要持续加温约20min，为了防止液化的低共熔点尿素混合物在浇注时候冷却，可分多次熔化填充材料。

⑤将熔化为液体的低共熔点尿素混合物浇注入钢皮形成的封闭管状结构内，浇注的高度约为15mm，然后在液体表面铺一层固体尿素，固体尿素具有吸热效果，可以启到降温效果，减少叶片的变形，如图2所示，循环4次第⑤步骤可将叶轮零件填满。

⑥待整体零件温度冷却下来即可进行加工，低共熔点尿素混合物浇注后的坯料待加工时间T不超过24h,即：T≤24h，湿度E＝20％～60％之间。

以上为本实施例的工作原理和结构特点，凡是依据本结构方案制作的该类装置，均属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种填充材料，其特征在于：包括尿素和一种易溶于水的化合物，尿素和该化合物混合后形成低共熔点尿素混合物，混合物液化后用于填充薄壁零件中的空隙位置，然后凝固并与薄壁零件形成实心的一体结构；

所述化合物包括磷酸铵、氯化钾、硼酸钠、苯甲酸钠、丙酰胺、乙酰胺，且填充材料还包括纤维，所述纤维分散在实心的一体结构内，且纤维的走向沿着薄壁零件的薄壁结构轮廓方向。

2.根据权利要求1所述的一种填充材料，其特征在于：所述薄壁零件为叶轮薄壁叶片和薄壁管类零件。

3.一种权利要求1所述填充材料的填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据待加工零件外径尺寸选用一块表面光滑的平板作为放置零件的底板，弯曲一块薄板使其沿着零件外周向封闭并包裹住零件，且薄板的内表面尽可能与零件贴合；

第二步：在待加工零件底层与平板之间铺设一层固体尿素，在薄板形成的封闭区域内且位于待加工零件的薄壁结构附近放置零散的纤维；

第三步：将液化的低共熔点尿素混合物浇注到薄板形成的封闭区域内；

第四步：低共熔点尿素混合物浇注后冷却凝固并与待加工零件形成整体实心坯料。

4.根据权利要求3所述的填充材料的填充方法，其特征在于：所述第二步中，纤维为植物纤维，包括麻、稻秆、树叶或者布丝。

5.根据权利要求3所述的填充材料的填充方法，其特征在于：所述第二步中，固体尿素铺设层与平板上表面之间铺设有牛皮纸。

6.根据权利要求3所述的填充材料的填充方法，其特征在于：所述第三步中，分多次浇注液化的低共熔点尿素混合物，且每次浇注液化低共熔点尿素混合物的厚度范围为3～20mm。

7.根据权利要求6所述的填充材料的填充方法，其特征在于：分多次浇注液化的低共熔点尿素混合物时，待上一次浇注的液化低共熔点尿素混合物表层快凝固时再浇注下一层低共熔点尿素混合物，循环操作。

8.根据权利要求6所述的填充材料的填充方法，其特征在于：分多次浇注液化的低共熔点尿素混合物时，每浇注完一次液化低共熔点尿素混合物，在液化低共熔点尿素混合物表面铺设一层固体尿素。

9.根据权利要求3所述的填充材料的填充方法，其特征在于：所述第一步之前，控制环境温度与湿度，其中浇注温度控制在室温20℃，湿度控制在20%～60%。

Images