薄壁鈦合金殼體製造工藝淺析-刀具網（wǎng）-數（shù）控機床市場網

您現在的位置：刀具網> 技術前沿>薄壁鈦合金殼體製造工藝淺析（xī）

薄壁鈦合金殼體製（zhì）造工藝淺（qiǎn）析

2023-8-28 來源：河南平高電氣股份有限公司作者：劉（liú）擁軍王斌

【摘要】: 本文針對（duì）薄壁鈦合金殼體（tǐ）在加工過（guò）程（chéng）中出現的裝夾方式、尺寸變形、測量方法、刀具選型及（jí）工藝參數等方麵存在的問（wèn）題（tí）進行了分析（xī），並分別（bié）提出解決措施，通過改進毛坯的結（jié）構形式（shì），設計製造多套裝夾工（gōng）裝，選用合適的切（qiē）削刀具，采用新型的測量工具及方法和（hé）冷熱循環處理工（gōng）藝，解決了一係列問題並加工出合格的殼體。

【關鍵詞】: 鈦合金 ; 殼體 ; 裝夾

1.引（yǐn）言

鈦合（hé）金因其強度重量比高、組織（zhī）穩定和高溫力學性能較好（hǎo），經合金強化、時效處理後具有高強度和高耐磨性以及高溫下變形小（xiǎo）等優越的（de）屬性，被廣泛應用於航空航天領域中。為實現輕量化的效果，將鈦合金薄壁零部件（jiàn）結構設計為弱剛性，由於鈦合金薄壁件熱（rè）導率低，切削加工時會產（chǎn）生較高的溫度，使其呈現高溫時化學活性大、韌性高等材料特性，導致刀具（jù）磨（mó）損劇（jù）烈，並伴隨扭曲畸變的現象（xiàng），導致生產效率較低，同時還會降低零件的使用性能，甚至發（fā）生零件報廢（fèi）的情況。因此（cǐ），在（zài）大型薄（báo）壁精密鈦合金（jīn）零件製造過程中，特殊（shū）的薄壁結構、較差的材料切削性（xìng）能以及難控製的尺寸精度等（děng）成（chéng）為多重難題。

本文以某型號儲箱上、下殼體加工為（wéi）例，就（jiù）加工的工裝設計、切削刀具合理選擇、切削參數和尺寸穩定處理等進行探討，對大型薄壁鈦合金（jīn）零件精密加工具有（yǒu）較大意義（yì）。

2. 加工產品及（jí）上、下殼體加工工藝分析

某（mǒu）型號儲箱如圖 1 所示，分為上、下殼體，工件材料為 TC4 鈦合金，最大直徑近 600mm。雖然該儲箱上殼（ké）體、下殼體外觀看起來非常像球體，但實際上並非單一的球麵，而是由多個球心在不同位置的球麵（miàn）組合而成，其各處的壁厚不同，整體壁厚≤ 2mm，最薄處 1mm。工件（jiàn）毛坯由模具（jù）衝壓成型，成型後經過內（nèi）外表麵多（duō）次加工才能滿足使用標準，粗糙度要求高於Ｒ a1.6，線性尺寸公差要（yào）求 0.02mm，圓（yuán）弧半徑尺（chǐ）寸公（gōng）差要求 0.05mm。

圖 1 某型號（hào）儲箱（xiāng）結構（gòu）

上、下殼體原材料采用 TC4 鈦合金，該（gāi）材料與普通金屬材料在切削加工方麵的性能有（yǒu）很大差（chà）別，具體表現為 : ① TC4 鈦合金彈性模量為鋼的一半左右，當零（líng）件結構為薄壁件和細長杆時變形量較大 ; ② TC4 鈦合金導熱係數低，加（jiā）工（gōng）時散熱速度慢，被切削區域溫度高 ; ③在熱—力耦合作用下，其化學（xué）活性大（dà），親（qīn）和力（lì）強，容易與別（bié）的元素發生物理（lǐ）化學反應（yīng）。

隨著溫度的不（bú）斷升高，TC4 鈦合金吸收氫、氧、氮（dàn）的能力也會明顯增強。大約在 200℃ 左右開始吸收氫，400℃ 左右開始吸收氧，600℃ 左右開始吸（xī）收氮，被吸收（shōu）後的氣（qì）體會直（zhí）接改變材料表麵的組（zǔ）織結構，使其容易發（fā）生加工表麵硬化，從而影響零部件的使用性能，因此在（zài）加工過程中要進行（háng）充分的冷卻，並控製好切（qiē）削溫度。

TC4 鈦合（hé）金（jīn）的（de）材料（liào）屬性決定了不同於其他金屬材料的加工特點，導致 TC4 材料的加工效率低、加工（gōng）質量差（chà）和加工成本高，最終使這（zhè）些零部件難以達到（dào）技術要求，無法滿足產品正常工作的（de）需要。因此，想要實現高效率、高質量地加工鈦合金上、下殼體，必須（xū）開發和探索新工藝新技術，並科學選取刀具類型及切削（xuē）參數。

根據德（dé）國切削物理學家 Carl J. Salomon博士提出的高速切削理論 : 在切削（xuē）速度較低時 (見圖 2 中 A 區 ) ，切削溫度將隨著切（qiē）削速度的增加而不斷升高 ; 當切削速度增大（dà）到某個值（zhí）時（shí），將（jiāng）在一定速度範圍內（nèi） ( 見圖 2 中 B 區 ) 發（fā）生切削溫度太（tài）高而無法正常進行切削加工的情況 ; 當切削速度繼續增大，進入高速切削範圍內（nèi） ( 見圖2 中 C 區 ) 後，切削溫度反而隨著（zhe）切削速（sù）度的增大而下降。

圖 2 高速切削加工理論曲線

針對上、下殼體結構而言，其加工難點為半球（qiú）形薄壁件的裝夾方式和（hé）加工（gōng）變（biàn）形問題，隻（zhī）有解決這兩個問題才能加工出合格的零部（bù）件，而這兩方麵的問（wèn）題又密不（bú）可（kě）分，由於裝夾方式（shì）直（zhí）接影響（xiǎng）加工變形的程（chéng）度（dù），因（yīn）此需要設計出合（hé）理的（de）工裝夾具（jù）。

3.殼體加工存在的問題及解（jiě）決措施（shī）

3.1 存（cún）在的問題

①上、下殼體整體為薄壁，加工時無處可裝夾，需要考慮裝夾方式（shì） ; ②刀具選擇方麵（miàn），需要兼顧零部件生產的經濟性和產品質量的穩定性 ;③殼體球麵形狀及壁厚不（bú）易測量，現有的卡尺、千分尺等（děng）量具無（wú）法實現 ; ④薄壁件的變形無法避免，需要通（tōng）過（guò）優化工（gōng）藝（yì）流程（chéng）、改善裝夾（jiá）方式、摸索合理的切削參數抑製其變形量。

3.2 解決措施

在殼體的毛坯上設計工藝（yì）夾頭，增加一個法蘭盤用於零部件的裝夾過渡，加工過程中作（zuò）為裝夾連接位置，具體形狀（zhuàng）見圖 3。

圖 3 殼體毛坯

根據（jù）加工使用的設備參數，設計製作專用的連接花（huā）盤與主軸直接（jiē）連接，保證裝夾（jiá）的可靠性、穩定性（xìng），確保裝夾誤差（chà）為 0.01mm( 見（jiàn）圖 4) 。加工時，將毛坯上設計的工藝法（fǎ）蘭（lán）直接與連接花盤（pán）連（lián）接 ( 見圖 5) ; 通過找正保（bǎo）證零件的裝夾誤差為0.02mm，如有不平部位可使用調（diào）節墊片進行局部調整，以確保夾（jiá）具和殼體（tǐ）定位準確，裝夾緊密和牢固。

圖 4 連接花盤

圖 5 殼體裝夾

改善（shàn）鈦合金的加工性能主要應從降低切削溫（wēn）度和減少切屑（xiè）黏（nián）結兩方麵出（chū）發，從導熱性能好、紅硬性好（hǎo）、抗彎性好、與鈦合金親和性差的材料中確定刀具材料。雖然高速鋼優（yōu）勢明（míng）顯，但其耐熱（rè）性差，綜合考（kǎo）慮後 YG 類（lèi）硬質合金性能基本符合這些（xiē）要求，是最佳的選擇之一。常用的硬質（zhì）合金刀具材料有 YG8 和 YG3 等，從（cóng）實用性和經濟性角度考慮（lǜ），粗加工時加（jiā）工餘量大，切削衝擊力大，采用株洲鑽石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加工要求較高的表麵質量以及穩定的尺（chǐ）寸精度，采用（yòng）株洲鑽石（shí） YD101 刀片（piàn）進行加工。

由（yóu）於殼體特殊的結構形（xíng）狀及壁厚差異，常規（guī）的測量卡（kǎ）尺和壁（bì）厚千分尺無法實現對壁厚及形狀的準確（què）測量。經分析，可以依靠高精度數控設備間接保證，使用超聲波測厚儀測量薄壁的尺寸，加工時對不同部位的壁厚進行檢驗，根據檢測結果（guǒ）及設備（bèi）程序對設（shè）備參數進行微（wēi）調，從而解決（jué）這類問題。

采用硬質合金刀具加工（gōng）時，車削（xuē）內徑、外徑各工（gōng）步並（bìng）留有合（hé）理（lǐ）餘量，經過多次工藝試驗確定適當的切（qiē）削（xuē）參數，以降（jiàng）低半（bàn）精車、精（jīng）車過程的變形量（liàng）。具（jù）體參數如下 : 粗車（chē）切削速度vC=80~100m/min，切削深度 ap=1~1.5mm，進給量 f=0.25~0.35mm/r; 半精車切削（xuē）速度 vc=100~130m/min，切削深度 ap=0.3~0.4mm，進給量 f=0.2~0.25mm/r; 精車切削速度vc=120~150m/min，切削深度 ap=0.1~0.2mm，進給量 f=0.1~0.18mm/r。經查閱資料及研究試驗，粗加工後對殼體（tǐ）進行低溫處理，將其放到液氮深冷（lěng）設備（bèi）中經過－100℃ ~100℃的冷熱循環處理兩次，每次循環時間為 6h，可（kě）進一步細化（huà）晶粒，減少殘餘應力，使金屬的（de）基體更加（jiā）穩定，有效提高鈦合金零件的尺寸穩定性。

精車內徑、外徑時設（shè）計專用的工裝來支撐殼體，改善裝夾受力分布狀態，抑製切削變形，效果良好，具體情況見圖 6 和圖 7。

圖 6 內徑車削工裝

圖 7 外徑車削工裝

4. 結語（yǔ）

通過鈦合金上、下殼體的（de）製造過程，探索了鈦合金（jīn）材（cái）料的加工機理及工藝特性，掌握了鈦合金超薄殼體的變形機理、控製措施和加工工藝（yì），開發出殼（ké）體的裝夾工裝，研究了冷熱循（xún）環處理工藝（yì）對尺寸的影響程度，得到溫度變化對精密零件尺寸的影響規（guī）律（lǜ），為（wéi）其他薄壁件的加工積累了經驗。

投稿箱：
如果您有機（jī）床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多（duō）相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數（shù）據

| 更多

博（bó）文選萃

| 更多

數控機床