【加工與維修】薄壁鈦合金殼體製造精密加工工藝淺（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、尺寸變形、測量方法、刀具選型及工藝參數等方麵存在的問題進行（háng）了分析，並（bìng）分別提出解決措施，通過改進（jìn）毛坯的結（jié）構形式，設計（jì）製（zhì）造多套裝夾工裝，選用合適（shì）的切削刀具，采（cǎi）用新型的測量工具及方法和冷熱循（xún）環處理工藝，解（jiě）決了一係（xì）列問題並加工出合格的殼體。
【關鍵詞】: 鈦合金 ; 殼體 ; 裝夾
1.引言
鈦合（hé）金因其強度重量比高、組織穩定和高溫力學性能較好，經合金強化、時效處理（lǐ）後具有高強度和高耐磨性以及高溫下變形小等優越的（de）屬（shǔ）性，被（bèi）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（líng）部件結構設計為弱剛性，由（yóu）於鈦合金薄壁件熱（rè）導率低，切（qiē）削加工時會（huì）產生較高的溫（wēn）度，使其呈現高溫時化學活性大、韌（rèn）性高等材料特性（xìng），導致刀具磨損劇烈，並（bìng）伴隨扭（niǔ）曲畸變的現象，導致生產效率較低，同時還會降低零件的使用性能，甚（shèn）至發生零件報廢的（de）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（báo）壁結構、較差的材料切削性能以及難（nán）控製的尺寸精度等成為（wéi）多重（chóng）難（nán）題。
本文以某型號儲箱上、下殼體加工為例，就加工的工裝設計、切削刀具合理選擇、切削參數和尺寸穩（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（tǐ）加工工藝分析
某（mǒu）型（xíng）號儲箱如圖 1 所示，分為上、下殼體（tǐ），工件材料為 TC4 鈦合金，最大（dà）直徑近（jìn） 600mm。雖然該（gāi）儲箱上殼體、下殼體外觀看起來非常像球體，但實際上並非單（dān）一的球麵，而（ér）是由多個球心在不同位置的球麵組合而成，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成型，成型後經過內外表麵多次加工才能滿足使用標準，粗糙（cāo）度要求（qiú）高於Ｒ a1.6，線性尺寸（cùn）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（cǎi）用 TC4 鈦合（hé）金，該（gāi）材料與普通金（jīn）屬材料在切削加工方麵的性能有很大差別，具體表現為（wéi） : ① TC4 鈦合金彈（dàn）性模量為鋼的（de）一半左右（yòu），當零件（jiàn）結構為（wéi）薄壁件和細長杆時變形量較大 ; ② TC4 鈦合金導熱係數低（dī），加工時散熱速度慢，被切（qiē）削區域溫度高 ; ③在熱—力耦（ǒu）合作用下，其化學活性大，親和力強，容易與別的元素發生物理化學反應。
隨著溫度的不斷升高，TC4 鈦（tài）合金吸收（shōu）氫、氧、氮的能力也會明顯（xiǎn）增強。大約在 200℃ 左右開始吸收氫，400℃ 左右開始吸（xī）收氧，600℃ 左（zuǒ）右開（kāi）始吸收氮，被吸收（shōu）後的氣體會直接改變（biàn）材料表麵的組織結構，使其容易（yì）發生加（jiā）工表（biǎo）麵硬化，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，並控製好切削溫度（dù）。
TC4 鈦合金的材料屬性決定了不同於其（qí）他金屬材料的加工（gōng）特點（diǎn），導致 TC4 材（cái）料的加工效率低、加工質量差和加工成本高，最（zuì）終使這些零部件（jiàn）難以達到技術要（yào）求，無法滿足產品正常工作的需（xū）要。因此（cǐ），想要實現高效率、高質量地加工鈦（tài）合金上、下殼體（tǐ），必須開（kāi）發和探索新工藝新技術，並科學選取（qǔ）刀具類型及切（qiē）削參數。
根據德國切削物理學家（jiā） Carl J. Salomon博士提出的（de）高（gāo）速切削理論（lùn） : 在切削速度較低時 (見圖（tú） 2 中 A 區 ) ，切削溫度將隨著切削速度的增加（jiā）而不（bú）斷升高 ; 當切削速度增大到某個值時，將在一定速度範圍（wéi）內 ( 見圖 2 中（zhōng） B 區 ) 發生切削溫度（dù）太高而無法（fǎ）正常進行切削加（jiā）工的情況（kuàng） ; 當切削速度繼續增大，進入高速切削範圍內 ( 見圖2 中（zhōng） C 區 ) 後（hòu），切削溫度反而隨著切削速度的增大而下降。
針對上、下（xià）殼體結構而言，其加工難點為半球（qiú）形薄壁件的裝（zhuāng）夾方式和加工變形問題（tí），隻有解決這兩個問題才（cái）能加工出合格的零部件，而這兩方麵的問題又密不可分，由於裝夾方式直接影響加工變形的程（chéng）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（tí）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，需要考慮裝夾方式 ; ②刀具選擇方麵，需要兼（jiān）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易測量，現有（yǒu）的卡（kǎ）尺、千（qiān）分尺等量具無法實現（xiàn） ; ④薄（báo）壁件的變形無法避免（miǎn），需要通過優化工藝流程、改善裝（zhuāng）夾方式、摸索（suǒ）合理的（de）切削（xuē）參數抑製其變形量。
3.2 解決措施（shī）
在殼體的毛坯（pī）上（shàng）設計工藝夾頭，增加一個法蘭盤用於零部件的（de）裝夾過渡（dù），加（jiā）工過程中作為裝夾連接位置，具體形狀見圖 3。
根（gēn）據加工使用的設備（bèi）參數，設計製作專用的連（lián）接（jiē）花盤與主軸直接連接（jiē），保證裝夾的可靠（kào）性、穩定性，確保裝夾誤差為 0.01mm( 見圖（tú） 4) 。加工時，將毛坯上（shàng）設計的工藝法蘭直接與（yǔ）連接花盤連接 ( 見圖 5) ; 通過找正保證零（líng）件的裝夾誤差為（wéi）0.02mm，如有不平（píng）部位可使用調節墊片進行局部調整，以確保夾具和殼體定位準確，裝夾緊密和牢（láo）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（miàn）出發，從導熱性能好、紅硬性好、抗（kàng）彎性好、與鈦合（hé）金親和性差的材料中確定刀具材料。雖然高速鋼（gāng）優勢明顯，但其耐熱性差（chà），綜合考慮後 YG 類硬質合金性能基本符合這些要求（qiú），是最佳的選擇之一。常用的硬質合（hé）金刀（dāo）具材料有 YG8 和 YG3 等，從實用性和經濟性角度考慮，粗（cū）加工時加工餘量大，切削衝擊力大，采（cǎi）用株洲鑽石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加工要（yào）求較高的表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（xíng）狀及壁厚差異，常規的測量（liàng）卡（kǎ）尺（chǐ）和壁厚千分尺無法（fǎ）實現對壁（bì）厚（hòu）及形（xíng）狀的準確測量。經分析，可以依靠高（gāo）精（jīng）度數（shù）控設備（bèi）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（de）壁厚進行檢驗，根據（jù）檢測結果及設備程序（xù）對設備參數進行微調，從（cóng）而解決這類問題。
采用硬質合金刀具加工（gōng）時，車削內徑、外徑各工步並（bìng）留有合理餘量，經過多次工藝（yì）試驗確（què）定適當（dāng）的切削參數，以降低半精車（chē）、精車過（guò）程的變形量。具體參數如下 : 粗車切（qiē）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（sù）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（zī）料及研究試驗，粗加工後對（duì）殼（ké）體進行低（dī）溫處理，將其放到液氮深冷設備中經過－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，有效提高（gāo）鈦合金零件的尺寸穩定性。
精車內徑、外徑時設計專用的工裝來支撐殼體，改善裝夾（jiá）受（shòu）力分布狀態，抑（yì）製切削變形，效果良好，具體情況見圖 6 和圖 7。
4. 結語
通（tōng）過鈦合（hé）金上、下殼體的（de）製（zhì）造過程，探索了（le）鈦（tài）合金材料的加工機理及工藝特性，掌（zhǎng）握了（le）鈦合金超薄殼體的變形機理、控製措施和加工工藝，開發出殼體的（de）裝夾工裝，研究了（le）冷熱循環處理工藝對尺寸的影響程度，得到溫（wēn）度變化對精（jīng）密零件尺寸的影響規律，為其他薄（báo）壁件的（de）加工積累了經驗。
