薄壁钛合金壳体制造工艺浅析
2023-8-28 来源：河南平高电气股份有限公司 作者：刘拥军 王 斌
【摘要】: 本文针对薄壁钛合金壳体在加工过程中出现的装夹方式、尺寸变形、测量方法、刀具选型及工艺参数等方面存在的问题进行了分析，并分别提出解决措施，通过改进毛坯的结构形式，设计制造多套装夹工装，选用合适的切削刀具，采用新型的测量工具及方法和冷热循环处理工艺，解决了一系列问题并加工出合格的壳体。
【关键词】: 钛合金 ; 壳体 ; 装夹
1.引言
钛合金因其强度重量比高、组织稳定和高温力学性能较好，经合金强化、时效处理后具有高强度和高耐磨性以及高温下变形小等优越的属性，被广泛应用于航空航天领域中。为实现轻量化的效果，将钛合金薄壁零部件结构设计为弱刚性，由于钛合金薄壁件热导率低，切削加工时会产生较高的温度，使其呈现高温时化学活性大、韧性高等材料特性，导致刀具磨损剧烈，并伴随扭曲畸变的现象，导致生产效率较低，同时还会降低零件的使用性能，甚至发生零件报废的情况。因此，在大型薄壁精密钛合金零件制造过程中，特殊的薄壁结构、较差的材料切削性能以及难控制的尺寸精度等成为多重难题。
本文以某型号储箱上、下壳体加工为例，就加工的工装设计、切削刀具合理选择、切削参数和尺寸稳定处理等进行探讨，对大型薄壁钛合金零件精密加工具有较大意义。
2. 加工产品及上、下壳体加工工艺分析
某型号储箱如图 1 所示，分为上、下壳体，工件材料为 TC4 钛合金，最大直径近 600mm。虽然该储箱上壳体、下壳体外观看起来非常像球体，但实际上并非单一的球面，而是由多个球心在不同位置的球面组合而成，其各处的壁厚不同，整体壁厚≤ 2mm，最薄处 1mm。工件毛坯由模具冲压成型，成型后经过内外表面多次加工才能满足使用标准，粗糙度要求高于Ｒ a1.6，线性尺寸公差要求 0.02mm，圆弧半径尺寸公差要求 0.05mm。
图 1 某型号储箱结构
上、下壳体原材料采用 TC4 钛合金，该材料与普通金属材料在切削加工方面的性能有很大差别，具体表现为 : ① TC4 钛合金弹性模量为钢的一半左右，当零件结构为薄壁件和细长杆时变形量较大 ; ② TC4 钛合金导热系数低，加工时散热速度慢，被切削区域温度高 ; ③在热—力耦合作用下，其化学活性大，亲和力强，容易与别的元素发生物理化学反应。
随着温度的不断升高，TC4 钛合金吸收氢、氧、氮的能力也会明显增强。大约在 200℃ 左右开始吸收氢，400℃ 左右开始吸收氧，600℃ 左右开始吸收氮，被吸收后的气体会直接改变材料表面的组织结构，使其容易发生加工表面硬化，从而影响零部件的使用性能，因此在加工过程中要进行充分的冷却，并控制好切削温度。
TC4 钛合金的材料属性决定了不同于其他金属材料的加工特点，导致 TC4 材料的加工效率低、加工质量差和加工成本高，最终使这些零部件难以达到技术要求，无法满足产品正常工作的需要。因此，想要实现高效率、高质量地加工钛合金上、下壳体，必须开发和探索新工艺新技术，并科学选取刀具类型及切削参数。
根据德国切削物理学家 Carl J. Salomon博士提出的高速切削理论 : 在切削速度较低时 (见图 2 中 A 区 ) ，切削温度将随着切削速度的增加而不断升高 ; 当切削速度增大到某个值时，将在一定速度范围内 ( 见图 2 中 B 区 ) 发生切削温度太高而无法正常进行切削加工的情况 ; 当切削速度继续增大，进入高速切削范围内 ( 见图2 中 C 区 ) 后，切削温度反而随着切削速度的增大而下降。
图 2 高速切削加工理论曲线
针对上、下壳体结构而言，其加工难点为半球形薄壁件的装夹方式和加工变形问题，只有解决这两个问题才能加工出合格的零部件，而这两方面的问题又密不可分，由于装夹方式直接影响加工变形的程度，因此需要设计出合理的工装夹具。
3.壳体加工存在的问题及解决措施
3.1 存在的问题
①上、下壳体整体为薄壁，加工时无处可装夹，需要考虑装夹方式 ; ②刀具选择方面，需要兼顾零部件生产的经济性和产品质量的稳定性 ;③壳体球面形状及壁厚不易测量，现有的卡尺、千分尺等量具无法实现 ; ④薄壁件的变形无法避免，需要通过优化工艺流程、改善装夹方式、摸索合理的切削参数抑制其变形量。
3.2 解决措施
在壳体的毛坯上设计工艺夹头，增加一个法兰盘用于零部件的装夹过渡，加工过程中作为装夹连接位置，具体形状见图 3。
图 3 壳体毛坯
根据加工使用的设备参数，设计制作专用的连接花盘与主轴直接连接，保证装夹的可靠性、稳定性，确保装夹误差为 0.01mm( 见图 4) 。加工时，将毛坯上设计的工艺法兰直接与连接花盘连接 ( 见图 5) ; 通过找正保证零件的装夹误差为0.02mm，如有不平部位可使用调节垫片进行局部调整，以确保夹具和壳体定位准确，装夹紧密和牢固。
图 4 连接花盘
图 5 壳体装夹
改善钛合金的加工性能主要应从降低切削温度和减少切屑黏结两方面出发，从导热性能好、红硬性好、抗弯性好、与钛合金亲和性差的材料中确定刀具材料。虽然高速钢优势明显，但其耐热性差，综合考虑后 YG 类硬质合金性能基本符合这些要求，是最佳的选择之一。常用的硬质合金刀具材料有 YG8 和 YG3 等，从实用性和经济性角度考虑，粗加工时加工余量大，切削冲击力大，采用株洲钻石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加工要求较高的表面质量以及稳定的尺寸精度，采用株洲钻石 YD101 刀片进行加工。
由于壳体特殊的结构形状及壁厚差异，常规的测量卡尺和壁厚千分尺无法实现对壁厚及形状的准确测量。经分析，可以依靠高精度数控设备间接保证，使用超声波测厚仪测量薄壁的尺寸，加工时对不同部位的壁厚进行检验，根据检测结果及设备程序对设备参数进行微调，从而解决这类问题。
采用硬质合金刀具加工时，车削内径、外径各工步并留有合理余量，经过多次工艺试验确定适当的切削参数，以降低半精车、精车过程的变形量。具体参数如下 : 粗车切削速度vC=80~100m/min， 切 削 深 度 ap=1~1.5mm，进 给 量 f=0.25~0.35mm/r; 半 精 车 切 削 速度 vc=100~130m/min， 切 削 深 度 ap=0.3~0.4mm，进给量 f=0.2~0.25mm/r; 精车切削速度vc=120~150m/min，切削深度 ap=0.1~0.2mm，进给量 f=0.1~0.18mm/r。经查阅资料及研究试验，粗加工后对壳体进行低温处理，将其放到液氮深冷设备中经过－100℃ ~100℃的冷热循环处理两次，每次循环时间为 6h，可进一步细化晶粒，减少残余应力，使金属的基体更加稳定，有效提高钛合金零件的尺寸稳定性。
精车内径、外径时设计专用的工装来支撑壳体，改善装夹受力分布状态，抑制切削变形，效果良好，具体情况见图 6 和图 7。
图 6 内径车削工装
图 7 外径车削工装
4. 结语
通过钛合金上、下壳体的制造过程，探索了钛合金材料的加工机理及工艺特性，掌握了钛合金超薄壳体的变形机理、控制措施和加工工艺，开发出壳体的装夹工装，研究了冷热循环处理工艺对尺寸的影响程度，得到温度变化对精密零件尺寸的影响规律，为其他薄壁件的加工积累了经验。
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