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钛合金高精度回转体的加工工艺

2017-04-24 09:50:05 作者:关天之窗 来源:搜钛网 浏览次数:

  钛合金属于难加工材料,对于钛合金高精度回转体的加工也是机械制造业棘手的难题。本文通过对典型高精度壳体的加工总结出一套加工方法,并通过实践证明该工艺过程有效地解决了此类零件加工难题。

  1. 工艺分析

  零件材料为钛合金TC4,加工难点有两个:一是材料如何解决难加工问题,二是如何控制零件的变形,保证高精度要求。

  2. 难点分析

  钛合金材料难加工点有两个方面:一是材料组织切削加工性差。钛合金材料组织复杂,亲和力大,晶格原子不易脱离平衡位置,当材料硬度高于350HBW时切削加工特别困难,硬度低于350HBW 时,又易产生粘刀现象。

  二是材料切削时温度高刀具磨损快。钛合金材料的零件被加工时,切削区温度远高于其他材料的温度,材料的导热系数小于不锈钢和高温合金,散热条件差,使切削区温度迅速上升,积于切削区附近不易散发,造成加工的刀尖附近应力集中,造成刀具磨损崩刃,破坏零件加工表面质量。

  控制零件变形难点有四个方面:

  (1 )零件结构刚性差 零件壁厚为1.5mm、2mm;刚性差,切削力挤压造成零件一定的变形,影响壳体零件尺寸精度及几何公差。

  (2 )切削用量要素难控制 在切削速度、进给量、切削深度等因素影响下,切削过程中产生振动,也会造成零件变形。

  (3 )装夹时夹紧力产生的影响 零件定位装夹时,在径向夹紧力作用下产生变形,当加工完成后零件恢复弹性变形,产生椭圆,造成尺寸超差。

  (4 )应力释放产生变形 在零件整个加工过程中,材料自身和切削力作用下产生的应力不断释放,影响零件尺寸和几何公差要求。

  (5 )温度变化影响 由于零件精度要求特别高,加工所处环境和机床自身温度变化也会产生一定影响。

  3. 解决方案

  针对钛合金材料加工难点采取以下措施:

  (1 )合理选择刀具材料提高刀具的寿命 实践证明,加工钛合金材料时必须选用耐磨性好,抗弯强度高,导热性好,抗粘结,抗氧化,抗振性好的硬质合金刀片。通过使用不同材料的刀片进行大量切削试验和总结,刀片材料精加工优选I C907 ,半精加工优选Y G10HT,精加工优选YG643,刀具寿命长。

  (2 )优化刀具参数 在加工的不同阶段,刀具使用参数有差别。

  粗加工时刀片参数:前角γo= 4°~ 6°,后角αo= 11 °~ 13°,主偏角 κr= 45 °,副主偏角 κ′r= 7°~ 14°,刃倾角λs= 1°~ 3 °,刀尖圆弧R =1.5mm。

  半精加工时刀片参数前角γo=5°~ 8°,后角αo=13 °~ 15°,主偏角 κr= 30°~ 40°,副主偏角κ′r= 15°~ 20°,刃倾角 λs=6°~ 8°,刀尖圆弧R =1mm 。

  精加工时刀片参数前角γo= 8°~ 10°,后角 αo=15 °~17°,主偏角 κr=43 °,副主偏角 κ′r= 20°~ 30°,刃倾角λs=5°~ 7°,刀尖圆弧 R=0.3 ~0.5mm 。

  (3 )选择合适的切削液及浇注方式 加工时使用极压乳化液冷却,及时带走刀具的切屑;刀杆采用中控式,切削液喷管通过刀杆直接加入到刀具的切削中,避免了积屑瘤的产生,降低了切屑区的温度,提高零件加工质量。

  (4 )优化工艺流程 采用粗加工→ 热处理→半精加工→热处理→精加工→热处理,逐步释放应力。半精加工、精加工需要经消除基准变形,通过半精加工循环、精加工循环过程控制回转体变形。

  (5 )优化切削用量 通过长期试验、摸索,得到不同加工阶段合理的三要素:粗加工时选择的切削速度为40~50 m/min,进给量为0.7mm/r ,背吃刀量为2~3mm,主要是去除零件的大余量,加速散热性,加速应力释放。半精加工时选择的切削速度为80~100m/min、进给量为0.3mm/r 、背吃刀量为0.3~0.5mm,进一步去除零件的余量,进一步应力释放。精加工时选择的切削速度为180 ~240m/m i n、进给量为0.1~0.2mm/r 、背吃刀量为0.1~0.2mm ,消除和避免了切削时振动引起的工件变形。

  (6 )设计和制造合理的夹具 如图2所示,夹具靠零件自身的螺纹拉紧、端面定位,对零件不产生径向力,克服径向力对零件的影响。一次装夹,将零件外圆、内孔、端面一次加工而成,从而达到保证零件的尺寸精度和几何公差要求。当零件加工完成后,转动一下动静定位圈,使凹凸合拢,从而使零件定位端面与动静定位圈产生一定间隙,转动零件即可卸下,消除夹紧弹性变形。

  (7 )采用三阶段 热处理消除应力粗加工后进行退火再结晶热处理,在温度700 ℃左右时间为2h,促进内部组织均匀,改善切削性能。半精加工后再进行一次时效,在550 ℃保持1h,进一步消除和释放零件残余应力。零件精加工完成后,再进行45℃左右时间1h,80℃左右时间2h的三个循环稳定精加工尺寸。

  (8 )温度控制 环境温度使用中央空调控制在22℃左右,每天开机后机床空运行1~1.5h ,预热达到热平衡后开始加工,保持恒定温度。

  4. 结语

  本文通过选用适宜钛合金材料的不同加工阶段的刀具材料及参数,优化了工艺流程、切削要素、装夹形式、热处理、环境温度等方面,从而控制了钛合金高精度回转体加工的质量,满足了尺寸及几何公差技术要求,壳体件合格率大幅度提高,对类似零件加工工艺有一定借鉴作用。

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