【加工與維修】薄壁鈦合金殼體制造精密加工工藝淺析
【摘要】: 本文針對薄壁鈦合金殼體在加工過程中出現(xiàn)的裝夾方式、尺寸變形、測量方法、刀具選型及工藝參數(shù)等方面存在的問題進行了分析，并分別提出解決措施，通過改進毛坯的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計制造多套裝夾工裝，選用合適的切削刀具，采用新型的測量工具及方法和冷熱循環(huán)處理工藝，解決了一系列問題并加工出合格的殼體。
【關(guān)鍵詞】: 鈦合金 ; 殼體 ; 裝夾
1.引言
鈦合金因其強度重量比高、組織穩(wěn)定和高溫力學(xué)性能較好，經(jīng)合金強化、時效處理后具有高強度和高耐磨性以及高溫下變形小等優(yōu)越的屬性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中。為實現(xiàn)輕量化的效果，將鈦合金薄壁零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計為弱剛性，由于鈦合金薄壁件熱導(dǎo)率低，切削加工時會產(chǎn)生較高的溫度，使其呈現(xiàn)高溫時化學(xué)活性大、韌性高等材料特性，導(dǎo)致刀具磨損劇烈，并伴隨扭曲畸變的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，同時還會降低零件的使用性能，甚至發(fā)生零件報廢的情況。因此，在大型薄壁精密鈦合金零件制造過程中，特殊的薄壁結(jié)構(gòu)、較差的材料切削性能以及難控制的尺寸精度等成為多重難題。
本文以某型號儲箱上、下殼體加工為例，就加工的工裝設(shè)計、切削刀具合理選擇、切削參數(shù)和尺寸穩(wěn)定處理等進行探討，對大型薄壁鈦合金零件精密加工具有較大意義。
2. 加工產(chǎn)品及上、下殼體加工工藝分析
某型號儲箱如圖 1 所示，分為上、下殼體，工件材料為 TC4 鈦合金，最大直徑近 600mm。雖然該儲箱上殼體、下殼體外觀看起來非常像球體，但實際上并非單一的球面，而是由多個球心在不同位置的球面組合而成，其各處的壁厚不同，整體壁厚≤ 2mm，最薄處 1mm。工件毛坯由模具沖壓成型，成型后經(jīng)過內(nèi)外表面多次加工才能滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度要求高于Ｒ a1.6，線性尺寸公差要求 0.02mm，圓弧半徑尺寸公差要求 0.05mm。
上、下殼體原材料采用 TC4 鈦合金，該材料與普通金屬材料在切削加工方面的性能有很大差別，具體表現(xiàn)為 : ① TC4 鈦合金彈性模量為鋼的一半左右，當(dāng)零件結(jié)構(gòu)為薄壁件和細(xì)長桿時變形量較大 ; ② TC4 鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，加工時散熱速度慢，被切削區(qū)域溫度高 ; ③在熱—力耦合作用下，其化學(xué)活性大，親和力強，容易與別的元素發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。
隨著溫度的不斷升高，TC4 鈦合金吸收氫、氧、氮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℃ 左右開始吸收氮，被吸收后的氣體會直接改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)，使其容易發(fā)生加工表面硬化，從而影響零部件的使用性能，因此在加工過程中要進行充分的冷卻，并控制好切削溫度。
TC4 鈦合金的材料屬性決定了不同于其他金屬材料的加工特點，導(dǎo)致 TC4 材料的加工效率低、加工質(zhì)量差和加工成本高，最終使這些零部件難以達到技術(shù)要求，無法滿足產(chǎn)品正常工作的需要。因此，想要實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量地加工鈦合金上、下殼體，必須開發(fā)和探索新工藝新技術(shù)，并科學(xué)選取刀具類型及切削參數(shù)。
根據(jù)德國切削物理學(xué)家 Carl J. Salomon博士提出的高速切削理論 : 在切削速度較低時 (見圖 2 中 A 區(qū) ) ，切削溫度將隨著切削速度的增加而不斷升高 ; 當(dāng)切削速度增大到某個值時，將在一定速度范圍內(nèi) ( 見圖 2 中 B 區(qū) ) 發(fā)生切削溫度太高而無法正常進行切削加工的情況 ; 當(dāng)切削速度繼續(xù)增大，進入高速切削范圍內(nèi) ( 見圖2 中 C 區(qū) ) 后，切削溫度反而隨著切削速度的增大而下降。
針對上、下殼體結(jié)構(gòu)而言，其加工難點為半球形薄壁件的裝夾方式和加工變形問題，只有解決這兩個問題才能加工出合格的零部件，而這兩方面的問題又密不可分，由于裝夾方式直接影響加工變形的程度，因此需要設(shè)計出合理的工裝夾具。
3.殼體加工存在的問題及解決措施
3.1 存在的問題
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 ; ②刀具選擇方面，需要兼顧零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性 ;③殼體球面形狀及壁厚不易測量，現(xiàn)有的卡尺、千分尺等量具無法實現(xiàn) ; ④薄壁件的變形無法避免，需要通過優(yōu)化工藝流程、改善裝夾方式、摸索合理的切削參數(shù)抑制其變形量。
3.2 解決措施
在殼體的毛坯上設(shè)計工藝夾頭，增加一個法蘭盤用于零部件的裝夾過渡，加工過程中作為裝夾連接位置，具體形狀見圖 3。
根據(jù)加工使用的設(shè)備參數(shù)，設(shè)計制作專用的連接花盤與主軸直接連接，保證裝夾的可靠性、穩(wěn)定性，確保裝夾誤差為 0.01mm( 見圖 4) 。加工時，將毛坯上設(shè)計的工藝法蘭直接與連接花盤連接 ( 見圖 5) ; 通過找正保證零件的裝夾誤差為0.02mm，如有不平部位可使用調(diào)節(jié)墊片進行局部調(diào)整，以確保夾具和殼體定位準(zhǔn)確，裝夾緊密和牢固。
改善鈦合金的加工性能主要應(yīng)從降低切削溫度和減少切屑黏結(jié)兩方面出發(fā)，從導(dǎo)熱性能好、紅硬性好、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)勢明顯，但其耐熱性差，綜合考慮后 YG 類硬質(zhì)合金性能基本符合這些要求，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，從實用性和經(jīng)濟性角度考慮，粗加工時加工余量大，切削沖擊力大，采用株洲鉆石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加工要求較高的表面質(zhì)量以及穩(wěn)定的尺寸精度，采用株洲鉆石 YD101 刀片進行加工。
由于殼體特殊的結(jié)構(gòu)形狀及壁厚差異，常規(guī)的測量卡尺和壁厚千分尺無法實現(xiàn)對壁厚及形狀的準(zhǔn)確測量。經(jīng)分析，可以依靠高精度數(shù)控設(shè)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(jù)檢測結(jié)果及設(shè)備程序?qū)υO(shè)備參數(shù)進行微調(diào)，從而解決這類問題。
采用硬質(zhì)合金刀具加工時，車削內(nèi)徑、外徑各工步并留有合理余量，經(jīng)過多次工藝試驗確定適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，以降低半精車、精車過程的變形量。具體參數(shù)如下 : 粗車切削速度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 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(jīng)查閱資料及研究試驗，粗加工后對殼體進行低溫處理，將其放到液氮深冷設(shè)備中經(jīng)過－100℃ ~100℃的冷熱循環(huán)處理兩次，每次循環(huán)時間為 6h，可進一步細(xì)化晶粒，減少殘余應(yīng)力，使金屬的基體更加穩(wěn)定，有效提高鈦合金零件的尺寸穩(wěn)定性。
精車內(nèi)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(tài)，抑制切削變形，效果良好，具體情況見圖 6 和圖 7。
4. 結(jié)語
通過鈦合金上、下殼體的制造過程，探索了鈦合金材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、控制措施和加工工藝，開發(fā)出殼體的裝夾工裝，研究了冷熱循環(huán)處理工藝對尺寸的影響程度，得到溫度變化對精密零件尺寸的影響規(guī)律，為其他薄壁件的加工積累了經(jīng)驗。
