【加工與維修】薄壁鈦合金殼體製造精（jīng）密加工（gōng）工藝淺（qiǎn）析
【摘要】: 本文針對薄壁鈦合金殼體在加工過程中出現的裝夾方式、尺（chǐ）寸變形、測量方法、刀具選型及工藝參數等（děng）方（fāng）麵存（cún）在（zài）的問題進行了分析，並分別提出解決措施，通過改進毛坯的結構形式（shì），設計製造多套裝夾工裝，選用合適的切削刀具（jù），采（cǎi）用新型的測量工（gōng）具及方法和冷熱循（xún）環處理工藝，解（jiě）決了一係列問題並加工（gōng）出合（hé）格的殼體。
【關鍵（jiàn）詞】: 鈦合金 ; 殼（ké）體 ; 裝（zhuāng）夾
1.引言（yán）
鈦（tài）合金因其強度重量比高（gāo）、組織穩定和高溫力學性能較好，經合（hé）金強化、時效處理後具有（yǒu）高強（qiáng）度和高耐磨性以及（jí）高溫（wēn）下變形小等優（yōu）越（yuè）的（de）屬性，被廣（guǎng）泛應用於航空航天領（lǐng）域中。為實現輕量化的效果，將鈦合金薄壁零部件結構設計為弱剛性，由（yóu）於（yú）鈦合金薄（báo）壁件熱導率低，切削加工時會產生較高的溫度，使其呈現高溫時化學活性大、韌性高等材料特性，導致刀具磨損劇烈，並伴隨扭曲畸變的現象，導致（zhì）生產效率較低，同（tóng）時還會降低零件的使用性能，甚至發生零件報廢的情況。因此，在大型薄壁精密鈦（tài）合金零件製造過程中，特殊的薄壁（bì）結構、較差的材料切削性能以及（jí）難控製的尺寸精度等成為多重（chóng）難題。
本文以某型號儲（chǔ）箱上、下（xià）殼體加工（gōng）為例，就加工的工裝設計、切削刀具合理選（xuǎn）擇、切削參數和尺寸穩定處理等進行探討，對大型薄壁鈦合金零件（jiàn）精密（mì）加工具有較大意義。
2. 加工產品及上、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（liào）為 TC4 鈦合金，最大直徑近（jìn） 600mm。雖然該儲箱（xiāng）上殼體、下殼體外觀看起來非（fēi）常像球體（tǐ），但（dàn）實際上（shàng）並非單一的球麵，而（ér）是由多個球心在不同位（wèi）置的球麵組（zǔ）合而成，其各處（chù）的壁厚不同，整體壁（bì）厚≤ 2mm，最薄處 1mm。工件毛坯由模具（jù）衝壓成型（xíng），成型後經過內外（wài）表麵多次加工才能滿（mǎn）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，圓弧半徑尺寸（cùn）公差要求 0.05mm。
上、下殼體原材料采（cǎi）用 TC4 鈦合金，該材料與普通金屬材料在（zài）切削加（jiā）工方麵的性能有很大差別，具體表（biǎo）現為 : ① TC4 鈦合金彈性模量為鋼的一半左右，當零件結構為薄壁件和細長杆時（shí）變形（xíng）量較（jiào）大 ; ② TC4 鈦合金導熱係數低，加工時散熱速度慢，被（bèi）切削區域溫度高 ; ③在熱—力耦合作用下，其化學活性大，親和（hé）力強，容易與別的元素發生物（wù）理化學反應。
隨著溫度的不斷升高，TC4 鈦合金（jīn）吸收氫、氧、氮的能力也會明顯增強。大（dà）約在 200℃ 左右開始吸（xī）收氫，400℃ 左右開始吸收氧，600℃ 左右開始吸收氮，被吸收後的氣體（tǐ）會直接改變材料表麵的組織結（jié）構，使其容易發生加工表麵（miàn）硬化，從而（ér）影響零部件的使用性能，因此在加工過程中（zhōng）要進行充分的冷卻，並控製好切削溫度。
TC4 鈦合金的材料屬性（xìng）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、加工質量差和加（jiā）工成本高，最終使這（zhè）些零部件難以達（dá）到技（jì）術要求，無法（fǎ）滿足產品正常工（gōng）作的需要。因此，想要（yào）實現高效率、高質量地加工鈦合金（jīn）上、下殼體，必須開（kāi）發和探索新工藝（yì）新技術，並科學選（xuǎn）取刀具類型及切削參數。
根據德國切削物理學家 Carl J. Salomon博士提出的高速切削理（lǐ）論 : 在切削速度較（jiào）低時 (見圖（tú） 2 中 A 區 ) ，切削溫度將隨著切削速度的增（zēng）加而不斷升高 ; 當切削速度增大到某個值（zhí）時，將在一定速度範圍內 ( 見圖 2 中 B 區 ) 發（fā）生切削溫（wēn）度太高（gāo）而無法（fǎ）正常進行切削加工的情況 ; 當切削速度（dù）繼續增大，進入高速切削範圍內（nèi） ( 見圖2 中 C 區 ) 後，切（qiē）削溫（wēn）度（dù）反（fǎn）而隨著切削速度（dù）的增大而下降。
針對上、下殼體結構而言（yán），其加工難點為半球形薄壁件的裝夾方式（shì）和（hé）加工變（biàn）形問題，隻有解決這兩個問題才能加工（gōng）出合格的零部（bù）件，而這兩（liǎng）方麵的問題又密不可分，由於裝（zhuāng）夾方式直接影響（xiǎng）加（jiā）工變形的程度，因此需要（yào）設計出合（hé）理的工裝夾具。
3.殼體加（jiā）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（jiā）工時無處可裝夾，需要考慮裝夾（jiá）方式 ; ②刀（dāo）具選擇方麵（miàn），需要兼顧零部件生產的經濟性和（hé）產（chǎn）品質量的穩定性 ;③殼體球麵形狀及壁厚不易測量，現有的卡尺（chǐ）、千分尺等量具無法實現 ; ④薄壁件的變形無法避（bì）免，需要通過優化工藝流程、改善裝夾方式、摸索合理的切削參（cān）數（shù）抑製其變（biàn）形量。
3.2 解決措施
在殼體的毛坯上設計（jì）工藝夾頭，增加一個（gè）法（fǎ）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，具體形狀見圖 3。
根（gēn）據（jù）加工使用的設備參數，設計製作專用的連接花盤（pán）與主（zhǔ）軸直接連接，保證裝夾的可靠（kào）性、穩定性，確（què）保裝夾誤差為 0.01mm( 見圖 4) 。加工（gōng）時，將毛坯上設計的工藝法蘭直接（jiē）與連接花盤連接 ( 見圖 5) ; 通（tōng）過找（zhǎo）正保證零件（jiàn）的裝夾（jiá）誤差為0.02mm，如有不平部位可使用調節墊片進行局部調整，以確（què）保（bǎo）夾具和（hé）殼體定位準確，裝夾緊密（mì）和牢固。
改善鈦合金的（de）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，從導熱性能好、紅硬（yìng）性好、抗彎性好、與鈦（tài）合金親和性差的材料（liào）中（zhōng）確定刀具材料。雖然高速鋼優勢明顯，但（dàn）其耐熱性差，綜合考慮後 YG 類硬質合金性能基本符合這些要求，是最佳的選擇之一。常用的硬質合（hé）金刀具（jù）材料有 YG8 和 YG3 等，從實用性和經濟性角度考慮（lǜ），粗加工時加工餘量大，切削衝擊力大，采用株洲鑽（zuàn）石 YBG251 刀（dāo）片加工 ; 半精、精加工（gōng）要求較高的表（biǎo）麵質量以及穩定的尺寸精度，采用株洲鑽石 YD101 刀片進行加工。
由於殼體特殊的結構形狀（zhuàng）及壁厚差異，常規的測量（liàng）卡（kǎ）尺和壁厚千分尺無法實現對壁厚及形狀的（de）準確測量。經分析，可以依（yī）靠高精度數控設備間接（jiē）保證，使用超（chāo）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（jié）果（guǒ）及設備程序對設備參數進行微調，從而解決（jué）這類問題（tí）。
采用硬質合金刀具加工（gōng）時，車削內徑、外徑各工步並留有合理餘量，經過多次工藝試驗（yàn）確（què）定適當的切削參數，以降低半（bàn）精車、精車過程的變形量。具體參（cān）數如（rú）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（jīng） 車 切 削 速度 vc=100~130m/min， 切（qiē） 削 深 度 ap=0.3~0.4mm，進給量 f=0.2~0.25mm/r; 精（jīng）車切（qiē）削速度vc=120~150m/min，切（qiē）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，粗加工後對殼體進（jìn）行低溫處理，將其放到（dào）液氮深冷設備中經過（guò）－100℃ ~100℃的冷熱循環處理兩次，每次循環時間為 6h，可進一步細化晶粒，減少殘餘應力，使金屬的基體更加穩定，有（yǒu）效提高鈦合金零件（jiàn）的尺寸穩定性。
精車（chē）內徑、外徑（jìng）時設計專用的工裝來支（zhī）撐殼體（tǐ），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。
4. 結（jié）語
通過鈦合金上、下殼體的製（zhì）造過程，探索了鈦合（hé）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（biàn）形機理、控製措施和加工工藝，開發出（chū）殼體的裝夾工裝，研究了冷熱循（xún）環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律，為其他薄壁（bì）件的加工積累了經驗。
