【加工（gōng）與維（wéi）修（xiū）】薄壁鈦合（hé）金殼（ké）體製造精（jīng）密加工工藝淺析
【摘要】: 本文針對薄壁（bì）鈦合（hé）金殼體在加（jiā）工過程中出（chū）現的裝夾方式、尺（chǐ）寸變（biàn）形（xíng）、測（cè）量方法、刀具選型及工藝參數等方麵存在的問題進行了（le）分析，並分（fèn）別提出解決措施（shī），通過改進毛坯的結（jié）構形式，設計製造多（duō）套裝夾工裝，選用合適的切削刀具（jù），采用新型的測量工具及方法和（hé）冷熱循環處（chù）理工（gōng）藝，解決（jué）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
鈦合金因其強度重量比高、組織穩定（dìng）和高溫（wēn）力學性能較好，經合金強化、時（shí）效處理（lǐ）後具（jù）有高強度（dù）和高耐磨性以（yǐ）及高溫下變形小等優越的屬性，被廣泛應用於航（háng）空航天（tiān）領域中。為實現輕量化的效果，將鈦合（hé）金薄壁零部件結構設計為弱剛性，由於鈦合（hé）金薄壁件熱導（dǎo）率低，切削加工時（shí）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（tè）性，導致刀具（jù）磨損劇烈，並伴隨扭曲畸變（biàn）的現象，導致生產效（xiào）率較低，同時還（hái）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控製的尺寸精度等成為多重難題。
本文以某型號儲箱（xiāng）上、下殼體加工為（wéi）例，就加工的工裝設計、切削（xuē）刀具合理選擇、切削參數和尺寸穩定處（chù）理等進行探討，對大型薄壁鈦合金零件精密加工具有（yǒu）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（xiāng）如圖（tú） 1 所示，分為上、下殼（ké）體，工件材料為 TC4 鈦合金（jīn），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，但實際上並非單（dān）一的球麵，而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（xíng），成型後經過內外表麵多次加工才能滿足（zú）使用標準，粗糙度要（yào）求高於Ｒ a1.6，線性尺寸公差要求 0.02mm，圓弧半徑（jìng）尺寸公差（chà）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（cái）料在切削加工方麵的性（xìng）能（néng）有很大差別，具體表現為 : ① TC4 鈦合金（jīn）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變形量較大 ; ② TC4 鈦合金導熱係數低，加工時散熱（rè）速（sù）度慢，被切削區域溫度高 ; ③在熱—力耦合作用下，其化（huà）學活性（xìng）大，親和力強，容易與別（bié）的元素發生物理化學反應。
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（xiǎn）增（zēng）強。大約在 200℃ 左右（yòu）開始吸（xī）收氫，400℃ 左右開始吸收氧，600℃ 左右開始吸收氮，被吸收後的氣體會直接改變材料表麵的組（zǔ）織結構（gòu），使其容易發生加工表麵（miàn）硬化，從而影響零部件的使用（yòng）性能，因此在加（jiā）工（gōng）過程中要進行充分的冷卻，並控製好切（qiē）削溫度。
TC4 鈦合金的材料屬（shǔ）性決定了不同於其他金屬材料的加工特點，導致 TC4 材料的加（jiā）工（gōng）效率低、加工質量差和加工成本高，最（zuì）終使這些零部件難以達到技術要求，無法（fǎ）滿足產品正（zhèng）常工作的需要。因此（cǐ），想要（yào）實現高效率、高質量（liàng）地加工鈦合金上、下殼體，必（bì）須（xū）開發和探索新工藝新技術，並科學選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（shì）提出的高速切削理（lǐ）論 : 在切削速度較低時 (見圖 2 中 A 區 ) ，切削溫度將隨著切削速（sù）度的增加而不斷升高 ; 當切削速度（dù）增大到某個值時，將在一定速度範圍內 ( 見圖 2 中 B 區（qū） ) 發生切削溫度太高而無法正常進行切削加工的情況（kuàng） ; 當切削速度繼續增大，進入高速切削範圍內 ( 見圖2 中 C 區（qū） ) 後，切削溫度反（fǎn）而隨著切削速度的增大而下降。
針對上、下殼體結構而言，其加工（gōng）難（nán）點為半球（qiú）形（xíng）薄壁件的裝夾方式和加工變形問題，隻有解決這兩個問題才能加工出合格的零部件，而這（zhè）兩方麵的問題又密不可分，由於裝夾方式（shì）直接影響加工變形的程度（dù），因此需要設計出合理的工裝夾具。
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，加工時（shí）無處可裝夾，需要考慮裝夾方式 ; ②刀具選擇方麵（miàn），需要兼顧零部件生（shēng）產的經濟性和產品質量的穩定（dìng）性 ;③殼體球麵形狀及壁厚（hòu）不易測量，現有的卡尺（chǐ）、千分尺等量具（jù）無法實（shí）現 ; ④薄壁件的變形無法避免，需要通過優化工藝流程、改善裝夾方（fāng）式、摸索合理的切（qiē）削（xuē）參數抑製其變形量。
3.2 解決措施
在殼體的毛坯上設計工（gōng）藝夾頭，增加一個法蘭盤用（yòng）於零部件的裝（zhuāng）夾過渡，加工過程中作為裝（zhuāng）夾連接位置，具體形狀見圖 3。
根（gēn）據加工（gōng）使（shǐ）用的（de）設備參數，設計製作專用的（de）連接花盤與主軸直接連接，保證裝夾的可靠性、穩定性，確保裝夾誤差為 0.01mm( 見圖 4) 。加（jiā）工時（shí），將毛坯上（shàng）設計的（de）工藝（yì）法蘭直接與連接花盤連接 ( 見圖 5) ; 通過（guò）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（jiē）墊片進行局部調整，以確保夾具和殼體定位準確，裝（zhuāng）夾緊密和牢固。
改善鈦合金的加工性能主要應（yīng）從（cóng）降低切削溫度和減少切屑黏結兩方麵出發，從導熱性能好、紅硬（yìng）性好、抗彎性好、與鈦合金親和（hé）性差的材（cái）料中（zhōng）確定刀具材料。雖然高速鋼（gāng）優勢明（míng）顯，但其耐熱性差，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（xuǎn）擇之一。常用的硬質合金（jīn）刀具材料有 YG8 和 YG3 等（děng），從實用性和（hé）經濟性角度考慮，粗加工時加（jiā）工餘量大，切削衝擊力大，采用株洲鑽石 YBG251 刀片加工 ; 半精、精加工要求較高的表麵質量以及穩定的尺寸精度，采用株洲鑽（zuàn）石（shí） YD101 刀片進行（háng）加工。
由於殼體特殊的結構形狀及壁厚差異，常規的測量卡尺和壁厚千分尺無法實現對壁厚及形狀的準確測量。經分析，可以依靠高精度數控設（shè）備（bèi）間接保證（zhèng），使用超聲波測厚儀測量薄壁（bì）的尺寸，加工時對不同部位的壁厚進行檢驗，根（gēn）據檢測結果及設備程序對設備參數進行微調，從而解決這類問題。
采用硬質合金刀具加工時，車削內徑（jìng）、外徑各工步並留有合理餘量，經過多次工藝（yì）試驗確定適當的切削參數，以降低半精車、精車過程的變（biàn）形（xíng）量。具體參數如下 : 粗車切削速（sù）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（shēn） 度 ap=0.3~0.4mm，進（jìn）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（gěi）量 f=0.1~0.18mm/r。經查閱資料及研究試驗，粗加工（gōng）後對殼體進行低溫（wēn）處理，將其放到液氮深冷設備中經過－100℃ ~100℃的冷熱（rè）循環（huán）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（jī）體更加穩定，有效提高鈦合金（jīn）零件的尺（chǐ）寸穩定（dìng）性。
精車內徑、外徑（jìng）時設（shè）計專用的工裝來支撐殼體，改善裝夾受力分布狀態，抑製切削變形，效果良好，具體情況見（jiàn）圖 6 和圖 7。
4. 結語
通（tōng）過鈦合金上（shàng）、下殼體的（de）製造過程，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形機理、控製措施和加工工藝，開發出殼體的裝夾工裝，研究了冷熱循環處理（lǐ）工藝對尺寸的影響（xiǎng）程度，得到（dào）溫度變化對（duì）精密零件尺寸的影響規律，為其他薄壁件的加工積累了經驗（yàn）。
