【加工與維修】薄（báo）壁鈦（tài）合金殼體製造精（jīng）密加工工藝（yì）淺析
【摘要（yào）】: 本文針對薄（báo）壁鈦合金殼體在加工過程中出現的裝夾方式、尺寸變形（xíng）、測（cè）量方法、刀具選型及工藝參數等方麵存在（zài）的（de）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（jié）構（gòu）形式，設計製造多套裝夾（jiá）工裝，選用合適的切削（xuē）刀具，采用新型的測量工具及方法（fǎ）和冷熱（rè）循環處理工藝，解決了一係（xì）列問題並加工出合格的殼體。
【關鍵詞】: 鈦合金 ; 殼（ké）體 ; 裝夾
1.引言
鈦合金因其（qí）強度重量（liàng）比高、組織（zhī）穩定和高溫力學性能較好，經合金強化（huà）、時效處理後具有高強度和高耐磨性以（yǐ）及高溫下變形小等優越的屬性，被廣泛應用於航空航天（tiān）領域中。為實現（xiàn）輕（qīng）量化的（de）效果，將鈦合金薄壁零部（bù）件結構設（shè）計為弱（ruò）剛性，由於（yú）鈦合金薄壁件熱導率低，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（zhì）刀具（jù）磨（mó）損劇（jù）烈，並伴隨扭曲（qǔ）畸變的現（xiàn）象，導致生產效（xiào）率較低（dī），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，在大型薄壁精密鈦合金零件製造過程中，特殊的薄壁結構、較（jiào）差的材料切削性能（néng）以及難控製的尺寸精度等成為多（duō）重（chóng）難題。
本文以某型號儲箱上、下殼體加工為例，就加工的工裝（zhuāng）設計、切削刀具合理選擇（zé）、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精密加工具有較大意義。
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（shàng）、下殼體，工件材料為 TC4 鈦合（hé）金，最大直徑近（jìn） 600mm。雖（suī）然該儲（chǔ）箱上殼體、下殼體外觀看起來（lái）非常像球體，但實（shí）際上並非單一的球麵，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（tóng），整體（tǐ）壁厚≤ 2mm，最薄處（chù） 1mm。工件毛坯由模具衝（chōng）壓成型（xíng），成型後（hòu）經過內外表麵多次加工才能滿足使用標準，粗糙度要求（qiú）高於（yú）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（gāi）材料與普通金屬材料在切削加工方麵的性能有很大（dà）差別，具體表（biǎo）現為 : ① TC4 鈦（tài）合金（jīn）彈性模量為鋼的一半（bàn）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（dǎo）熱係數低，加工時散熱速度慢，被切削區域溫度高 ; ③在熱—力耦合作（zuò）用下，其（qí）化學活性大，親和力強，容易與別的元素發（fā）生物理化學反應。
隨著溫度的不斷升高，TC4 鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也會明顯增強。大約在 200℃ 左右（yòu）開始吸收氫，400℃ 左右開始吸收氧，600℃ 左右開始吸收氮（dàn），被（bèi）吸收後的氣體會直接改變材料表麵的組（zǔ）織（zhī）結構，使其容易發生加工表（biǎo）麵硬化，從而（ér）影（yǐng）響零部件的使用性（xìng）能，因此在加工（gōng）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（shǔ）性決定了不同於其他金屬材料的加工特點，導致 TC4 材料的加工效率低（dī）、加工質量差和加工成（chéng）本高，最終使這些零部件難以達到技術要求，無法滿足（zú）產品正常（cháng）工作的需要。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，並科學選取刀（dāo）具類型及（jí）切削（xuē）參數。
根據德國切削物（wù）理學家 Carl J. Salomon博士提出的高速切削理論（lùn） : 在切削（xuē）速度較低時（shí） (見圖 2 中（zhōng） A 區 ) ，切削溫度將隨著切削速度的增加而不斷升高 ; 當切削速度增大到某個值時，將在一定（dìng）速度範（fàn）圍（wéi）內 ( 見圖 2 中（zhōng） B 區（qū） ) 發生切削溫度太高而無法（fǎ）正常進行（háng）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 ( 見圖2 中 C 區（qū） ) 後，切削溫度反而隨著切（qiē）削速度的增大而下降。
針對上、下殼體結構而言，其加工難點為半球形（xíng）薄壁件的裝夾方式和（hé）加工變形問題，隻有（yǒu）解決這兩個問題才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（zhí）接影響加工變形的程度，因此需要設計出合理的（de）工裝夾具（jù）。
3.殼體加工存在的問題及解決措施
3.1 存在（zài）的問題
①上、下殼體整體為薄壁，加工時無處可裝夾，需要考慮裝夾方式（shì） ; ②刀具選擇方麵，需要兼顧零（líng）部件生產的經濟性（xìng）和產品（pǐn）質量的穩定性 ;③殼體球麵形狀及壁厚（hòu）不易測（cè）量，現有的卡（kǎ）尺、千分尺等量具無法實現 ; ④薄（báo）壁件的變形無法（fǎ）避免，需要通過優化工藝流程、改善裝夾方（fāng）式（shì）、摸索合（hé）理的（de）切削參數抑製其變形量。
3.2 解決措施
在（zài）殼體的毛坯上設計工藝夾頭，增加一個法蘭盤用於零部件的裝夾（jiá）過渡，加工過（guò）程中作為裝夾連（lián）接位（wèi）置，具體形（xíng）狀見圖 3。
根據加工使用的設備參（cān）數，設計製作專（zhuān）用（yòng）的連接花盤與主軸直接連接，保證裝夾的可（kě）靠性（xìng）、穩定性，確保裝夾誤差為 0.01mm( 見圖（tú） 4) 。加工時，將毛坯上設計的工藝法蘭直（zhí）接與連接花盤連接（jiē） ( 見圖 5) ; 通過找正保證零件的裝夾誤差為0.02mm，如有不平部（bù）位（wèi）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，裝夾緊密和牢固。
改善鈦合金的加工性能主要應從（cóng）降低切削溫度和減少切屑黏結兩方麵出發，從導熱（rè）性能好、紅硬性好、抗（kàng）彎性好、與鈦（tài）合金親和性差的材料中確定刀具材料。雖然高速鋼優勢明顯，但其耐熱性差，綜（zōng）合考慮後（hòu） YG 類硬（yìng）質合金性能基本符合這些要求，是最佳的選擇之一。常用的硬質合金刀（dāo）具材料有 YG8 和 YG3 等，從（cóng）實用性（xìng）和（hé）經濟性角（jiǎo）度考慮，粗加工時加工餘（yú）量大，切削（xuē）衝擊力大（dà），采用株洲鑽石（shí） YBG251 刀片加（jiā）工（gōng） ; 半精、精加工要求較（jiào）高的表麵質量以及穩定的尺寸精度，采用株（zhū）洲鑽石 YD101 刀片進行加工。
由於殼（ké）體特殊的結構形狀及壁厚差異，常（cháng）規的測量卡尺和壁厚（hòu）千分尺無法實現對壁厚及（jí）形狀的準確測量。經（jīng）分析，可以依（yī）靠高精度數控設備間接保證，使用超聲波測厚儀（yí）測量薄壁的尺寸，加工時對不同部位的壁厚進行檢驗，根據檢測結果及設備程序對設備參數進行（háng）微調，從而解決（jué）這類問題。
采用硬質合金刀具加工時，車削內徑、外徑各工步並留有（yǒu）合理餘（yú）量，經過多次工藝試（shì）驗確（què）定適當的切削參數，以降低半精車、精車過程的變形量。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（jìn） 給（gěi） 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; 精車切削速度vc=120~150m/min，切削深度 ap=0.1~0.2mm，進（jìn）給量（liàng） f=0.1~0.18mm/r。經查閱資料及研究試（shì）驗，粗加（jiā）工（gōng）後對殼體進行低溫處理，將其放到液（yè）氮深冷設備中經過－100℃ ~100℃的冷熱循環處（chù）理兩次，每次循環時（shí）間為 6h，可進（jìn）一步細化晶粒，減少殘餘應（yīng）力，使（shǐ）金屬的基體更加穩定，有效提高鈦合（hé）金零件的尺寸穩定性。
精車內徑、外徑時設計專用的工裝（zhuāng）來支（zhī）撐殼體，改善裝夾受力（lì）分布狀態，抑製切削變形，效果良好，具體情況（kuàng）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（suǒ）了鈦合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（yì），開發出殼體的裝夾工裝，研究了冷（lěng）熱循環處理工（gōng）藝對尺寸的影響程度，得到溫度變化（huà）對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。
