【加工與維修】薄（báo）壁鈦合（hé）金殼體製造精密加工工藝淺析

     【摘要】: 本文針對薄壁鈦合金（jīn）殼體在加工過程中出現的裝夾（jiá）方式（shì）、尺寸（cùn）變形、測量方法（fǎ）、刀具選型及工藝參數等方麵存在的問題進行了分析（xī），並分別提出解決措施，通過改進毛坯的結構形式，設（shè）計製造多套裝夾工裝，選（xuǎn）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處理工藝，解決了（le）一係列問題並加（jiā）工出（chū）合格的殼體。

     【關鍵詞】: 鈦合金 ; 殼體 ; 裝夾 

      1.引言 

      鈦合金因其強度重（chóng）量比高、組織穩定和高（gāo）溫（wēn）力學性能（néng）較好，經（jīng）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（biàn）形小等優越的屬性，被廣泛應用於航空航天領域中。為實（shí）現輕量（liàng）化（huà）的效果，將（jiāng）鈦合金薄壁零部件結構設計為弱剛性，由於（yú）鈦合金薄壁件熱導率低（dī），切削加工時會產生較高的溫度（dù），使其呈現高（gāo）溫時化學活性大、韌性高等材料特性，導致刀具磨損（sǔn）劇烈，並伴隨扭曲畸變的現象，導致生產效率較低，同時還（hái）會降低零件的使用性能，甚至發生零件（jiàn）報廢的情況。因此，在大型薄壁精密鈦合金零件製造過（guò）程中，特殊的薄壁結構、較差（chà）的材料切削性能以及（jí）難控製的尺寸精（jīng）度等成為（wéi）多重難題。

     本文以某型號（hào）儲箱上（shàng）、下殼（ké）體加工為例，就加工的工裝設計、切削刀具合理選（xuǎn）擇、切削參數和尺（chǐ）寸穩定處理等進行探討，對大（dà）型薄壁鈦（tài）合金零件精密加工具有較大意義。

     2. 加工（gōng）產品及上、下殼體加工工藝分析 

     某型號儲箱如圖 1 所示，分（fèn）為上、下殼體，工件材料為（wéi） TC4 鈦合金，最大直徑近 600mm。雖然該儲箱上殼（ké）體、下殼（ké）體外（wài）觀看（kàn）起來非常像（xiàng）球（qiú）體，但實際上並非單一（yī）的球麵，而是由多個球心在不同位置的球（qiú）麵組合而成，其各處的壁厚不同，整體壁厚≤ 2mm，最薄處 1mm。工件毛坯由模具衝壓（yā）成型，成型後經過內外表麵多次（cì）加工才能滿足使用標準，粗糙度要求高於Ｒ a1.6，線性尺寸公差要求 0.02mm，圓弧半徑（jìng）尺寸公（gōng）差要求 0.05mm。

     上、下殼體原材料采用（yòng） TC4 鈦合金，該材（cái）料與普通金屬材料在切削加工方麵的性能有很大差別，具體表現為 : ① TC4 鈦合金彈性模量為鋼的（de）一半左右，當（dāng）零件結構為薄壁件和細長杆時變形量較大 ; ② TC4 鈦合金（jīn）導熱係數（shù）低，加工時（shí）散熱速度慢，被（bèi）切削區域溫度高（gāo） ; ③在熱—力耦合作用下（xià），其化學活性（xìng）大，親和力強，容易與（yǔ）別的元素發（fā）生物理化學反應（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（zēng）強。大約在 200℃ 左右開始吸收氫，400℃ 左右開始吸收氧，600℃ 左右開（kāi）始吸收氮，被吸收後的氣體會直接改變材料表麵的組（zǔ）織結構，使其容易發生加工表麵硬化，從而影響零部件的使（shǐ）用性能，因此在加工（gōng）過程中要進行充分的冷卻，並控（kòng）製好切削溫度。 

     TC4 鈦合金（jīn）的材料屬性決定（dìng）了不同於其他金（jīn）屬材料的加工特點，導致 TC4 材料的加（jiā）工（gōng）效率低、加工質量差和加工成本高（gāo），最終使這些零部件難以達（dá）到技術要求（qiú），無法滿足產品正常工作的需（xū）要。因此，想要實現高效率、高質量地加工鈦合金上、下殼體，必須開發和探索新工藝新技術，並（bìng）科學選取刀具（jù）類型及切削參數。 

     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（lùn） : 在（zài）切削（xuē）速度較低時 (見圖 2 中 A 區 ) ，切（qiē）削溫度將隨（suí）著切削速度的（de）增加而不斷升高 ; 當切削速度增大到某個值時，將在一定（dìng）速度範（fàn）圍內 ( 見圖 2 中 B 區 ) 發生切削溫度太高（gāo）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（zhōng） C 區 ) 後，切削（xuē）溫度（dù）反而隨著（zhe）切削速度的增（zēng）大而下降。

     針對（duì）上、下殼體結構而言，其加工難點為半球形薄壁件的裝夾方式和加工變形問（wèn）題，隻有解決這兩（liǎng）個問題才能加工出合（hé）格的（de）零（líng）部件，而這兩方麵的（de）問題又密不可分，由於裝夾方式直接影響加工變形的程度，因此需要設計出合理的工裝夾具。 

     3.殼體加工存在的問題及解決（jué）措（cuò）施 

     3.1 存在的問題 

     ①上、下殼體整體（tǐ）為薄壁，加工（gōng）時無（wú）處可裝夾，需要考慮裝（zhuāng）夾方式 ; ②刀具（jù）選擇方麵，需要兼（jiān）顧零部件生產（chǎn）的經濟性和產品質量的穩定性 ;③殼體球麵形狀及壁厚不易（yì）測量，現有的卡尺、千分尺等量具無法實現 ; ④薄壁（bì）件的變（biàn）形無法避免，需要（yào）通（tōng）過優化工藝流程、改善裝夾方式、摸索（suǒ）合理的切削參數抑製其變（biàn）形量。

     3.2 解決措施

     在殼體的毛坯上設計工藝夾（jiá）頭，增（zēng）加一個法蘭盤用於零部件的裝夾過渡，加工過程中作為裝夾連接位置，具體形（xíng）狀見圖 3。

     根據加工使用的設備參數，設計製作專用（yòng）的連接花盤與（yǔ）主軸直接連接，保（bǎo）證裝夾的可靠性、穩定性，確保裝夾誤差為（wéi） 0.01mm( 見（jiàn）圖 4) 。加工時，將毛坯上設計的（de）工藝法蘭直接與連接花盤連（lián）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節墊（diàn）片進（jìn）行局部調整，以確保夾具和殼體定位準確，裝夾緊密和牢固。

     改善鈦合金的加工性能主要應從降低切削溫度和減少切（qiē）屑黏結兩方麵出發（fā），從（cóng）導熱性能好、紅硬性好、抗彎性（xìng）好、與鈦合金親和性差的材料中（zhōng）確定刀具材料。雖然高速鋼優勢明顯，但其耐熱性差，綜合（hé）考慮後 YG 類硬質合金性能基本符合這（zhè）些要求，是最佳的選擇（zé）之（zhī）一。常用（yòng）的硬質合金刀具材料有 YG8 和 YG3 等，從實用性和經濟性角度考慮，粗加工時加工餘量大，切（qiē）削衝擊力大，采用株洲鑽石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加（jiā）工要求較高的（de）表麵質量以及穩定的尺寸精度，采用（yòng）株洲鑽石 YD101 刀片進行加工。

     由於殼體特殊的結構形狀及壁厚差異，常規的（de）測量卡尺（chǐ）和壁（bì）厚千分尺無法實現對壁（bì）厚及形狀（zhuàng）的準確測（cè）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（de）尺寸，加工時對不同部位的（de）壁厚進行檢驗，根據檢（jiǎn）測結果及設備程序對設備（bèi）參數進行微調，從而解決這類問題（tí）。 

     采（cǎi）用硬質合金（jīn）刀具加工時，車削內徑、外徑各工步並留有合理餘量（liàng），經過多次工藝試驗確定適當（dāng）的（de）切削參數，以降低半精車（chē）、精車過程的變形量（liàng）。具體參數如下 : 粗車（chē）切削速度vC=80~100m/min， 切 削 深 度 ap=1~1.5mm，進 給（gěi） 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（jīng）車（chē）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（hòu）對殼體進行低溫處理，將其放到液氮深冷設備中經過－100℃ ~100℃的冷熱循環（huán）處理兩次，每次循環時間為 6h，可進（jìn）一步細化晶粒，減少殘餘應力，使（shǐ）金屬（shǔ）的基體更加穩定（dìng），有效提高鈦合金零件的尺寸穩定性（xìng）。

     精車內徑、外徑時設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（biàn）形，效果良（liáng）好，具體情況見圖 6 和圖 7。

     4. 結語

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