钛合金结构件加工新工艺

钛合金结构件加工新工艺（精选10篇）

钛合金结构件加工新工艺 篇1

钛合金精密加工工艺论文

1.零件结构特点

TB6钛合金不仅是制造飞机、导弹和火箭等航天器的重要结构材料，而且在惯性导航领域中也逐步开始使用。但由于该材料价格昂贵、难加工以及加工费用高，制约了它的应用。目前我们所承接的导航部件，军方为了提升其强度和寿命，决定淘汰传统的结构钢30CrNi4MoA，使用TB6钛合金材料，这就意味着原来的加工工艺要推倒重来，重新研究TB6钛合金的加工工艺方法。我们对TB6钛合金材料的性能、加工工艺方法及刀具选用等进行了探索和研究，通过各种试验，积累了许多TB6钛合金加工的经验，特别是切削加工用量及刀具的选择，在加工研制过程中得到了验证。本文重点对TB6钛合金精密加工和刀具选用方面的工艺创新作一次全面的阐述，也为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供参考与借鉴。TB6钛合金轴向铰轴颈零件如附图所示，其外型复杂，技术要求高，加工难度大。

2.TB6钛合金材料特性分析

钛合金是一种强度高而密度小、机械性能好且韧性和抗蚀性能也很好的不锈钢材料。TB6不锈钢材料加工工艺性差，切削加工困难，特别是在热加工中，非常容易吸收氢、氧、氮和碳等杂质。其加工工艺性主要表现在：(1)摩擦系数大。该材料导热系数低，刀尖切削温度高，切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。(2)弹性模量小。切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命。(3)钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合，在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。

3.精加工工艺试验

(1)工艺方法。考虑到该钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄，只有2～3mm，主要配合表面的尺寸精度、形位公差要求高，在零件的加工工艺方法及工艺流程安排时，按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排加工，同时在每个工序阶段安排热处理工艺，消除加工应力，稳定加工尺寸。这种工艺方法特点主要是通过分阶段的反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图样的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削以及攻螺纹等。

(2)铣削加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中，有大量的铣削余量，为了做好铣削加工，我们做了一些试验，特别是在刀具和切削液的选择方面：①刀具材质选择了高硬度、高抗弯强度、韧性和耐磨性好且散热性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K30、Y330。②铣削时采用水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，以延长刀具的使用寿命。为了提高铣削加工效率，在加工中心机床上进行了高效铣削试验，结果效率提升了2～3倍，零件表面质量也得到较大的提高。表1、表2所示分别为通过试验总结的切削用量和刀具参数。

(3)孔的精车加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中，由于热处理后的表面氧化皮给工艺加工增加了较大困难，为此在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后通过加大走刀量，降低切削速度来车削剩余的氧化皮。在刀具材质的选择、切削用量和切削液的选择方面：①刀具材质选用YG类硬质合金材料。②刀具的几何参数选择前角γ0=4°～8°，后角α0=12°～18°，主偏角j=45°～75°，刃倾角λ=0°，刀尖圆弧半径=0.5～1.5mm。③切削用量按主轴转速n≥230r/min，进给量f≥0.10～0.15mm/r。在同样刀具和切削参数的情况下，选择不同切削液进行切削试验，检查表面粗糙度情况;选定切削液后，使用乳化液冷却，提高了刀具寿度。固定切削参数，选择不同刀具材料进行切削试验，检查表面粗糙度和尺寸控制情况，确定刀具牌号为YG6X、YG10HT;切削液和刀具固定后，选择不同切削参数，对尺寸控制能力进行研究和对目标表面粗糙度实现能力进行验证。

(4)内螺纹加工试验方案。由于内螺纹不便在放大镜下观察，也不便进行尺寸精确测量，选择外螺纹进行替代试车观察表面粗糙度，选好参数后进行内螺纹试车验证，并用粗糙度仪检测验证;选择内螺纹车削加工工艺参数试验，验证上述试验确定的切削液工艺要素和刀具材料要素的适应性，螺纹车削的切削接触刃长，功率需求大，切削参数要进行单独的试验验证。

(5)孔的磨削加工试验方案。磨削加工阶段，由于TB6钛合金的特质，导致了钛合金磨削非常困难，磨削时砂轮磨损严重，轻易会变钝，同时易在表面产生拉应力及烧伤现象。为此在磨削过程中，通过使用切削液和润滑油，使零件充分冷却，保证了精磨质量。磨削砂轮的材料选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料，选择软砂轮R3、ZR1和ZR2，粒度为46、60。磨削用量的`选择如表3所示。

(6)铰削加工试验方案。钛合金的钻削加工也比较困难，常在加工过程中出现烧刀和断钻现象，其主要原因是钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等。铰孔是最后一道精加工工序，采用钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工工艺方法。在刀具和切削液的选择方面：①刀具材料选用M42高速钢或硬质合金K30;刀具的几何参数选择前角γ0=3°～7°，后角α0=12°～18°，主偏角j=5°～18°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm，过宽会轻易同钛合金加工表面粘结，过窄会轻易在铰削时产生振动。铰刀齿数为z=4(铰刀直径为12mm)。②铰削时应不断地注入冷却润滑液以获得较好的表面质量，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。通过上述几个步骤的试验分析，得出TB6钛合金的各种加工工艺特点，以此为基础，形成TB6钛合金切削工艺方法，并将关键技术点总结出来，拟定了TB6轴向铰轴颈加工的工艺方案。

4.结语

按照我们确定的加工工艺方案进行产品批量加工，达到了轴向铰轴颈的各项精度技术指标，经检测后一次性合格。验证了我们对加工技术难点分析的正确性，说明这种TB6钛合金切削工艺方法是可行的，也积累了经验，开拓了思路。随着科技的高速发展，材料的不断更新，我们需要对新型的惯性导航材料的切削机理、刀具磨损、切削液的选择等状况进行进一步的研究，也需要对切削过程不断进行优化。可以预计，超硬刀具和硬质合金刀具的发展也将在航空、惯性导航等的加工领域中占有很大的一席之地，必将为制造业的发展起到积极的推动作用。

钛合金结构件加工新工艺 篇2

1 钛合金材料的特点及应用重要性

钛合金, 一种发展于20世纪50年代的金属材料, 具有着良好的耐蚀型与耐热性。自钛合金材料出现以后, 世界各国均将注意力投向了其应用特性上, 并通过大量的研究开发, 将钛合金材料加工制作成多种产品, 促进了人类的精神文明与物质文明建设。

客观来说, 钛合金材料具有着强度高、耐蚀耐热性好、化学活性大的特点, 将其应用于机械加工领域时, 可通过机械加工制作得出各种各样的产品零件。但需要注意的是, 由于钛合金材料不同于其他金属材料, 其本身所具有的导热系数小、弹性模量低以及化学活性强等性能特点使其机械加工变得困难, 而这一点正是我们在钛合金机械加工中需要注意的重要事项。为此, 笔者建议在进行钛合金材料机械加工时, 务必要严守加工处理工艺的加工原则, 控制好每一道加工工序的质量, 达到保证钛合金机械加工顺利进行的目的。

2 钛合金材料的机械加工原则

对于钛合金材料来说, 如果其在机械加工过程中没有遵循相关的切削加工原则来实施加工切削工作, 那么其最后所获得的钛合金成品质量必然会受到影响。笔者通过对以往钛合金机械加工经验的总结与分析, 得出在机械加工中, 钛合金材料应该严格遵循以下几项基本原则:

2.1 刀具材料的选择合理性

刀具材料是钛合金切削加工中的必备工具, 选择时应针对待加工材料的性能、具体的加工方法以及加工技术等多方面的内容来合理选择。只有保证了刀具材料选择的合理性, 钛合金机械切削加工才可顺利进行。需要注意的是, 刀具材料的选择除了要考虑技术合理性以外, 还要考虑到经济合理性。在满足了机械加工技术条件以后, 还要尽量降低加工成本, 多选择价格相对较低廉的, 耐磨性好的刀具材料。

2.2 改善机械切削条件

实际加工时, 要尽量采取措施保证钛合金机械切削条件的优质性, 尽可能的提高“机床-夹具-刀具”这一加工系统的刚性。另外, 要注意调整好机床各部分结构之间的间隙, 减小主轴的径向跳动。最后, 为了更好的满足钛合金机械加工工艺的要求, 要尽量缩短刀具切削部分的长度, 是在保证容屑量充足的前提下尽量增大刀具的刃厚度, 达到提高刀具刚度和强度的目的。

2.3 做好切屑的控制

鉴于钛合金材料具有着其他金属材料没有的性能特点, 所以在切削加工时, 钛合金材料经切削后所产生的切屑数量相对较多, 这对钛合金的切削加工进度有所影响。因此在实际加工时一定要注意控制钛合金切屑的产生数量, 要采取适当的断屑措施来保证刀具切削的顺利进行。

3 机械加工技术分析

钛合金机械加工包括车削、钻削、铣削、攻丝、磨削和电火花加工等。国外不断研究钛合金加工技术, 并已取得一些成果。

3.1 切削液

使用切削液, 可以把刀刃的热量带走和冲走切屑, 以降低切削力, 因此, 有效的冷却和合理的应用切削液是提高生产率和改善被加工零件表面质量的主要方向之一。一般使用的切削液有三类, 即水或碱性水溶液, 水基可溶性油质溶液和非水溶性油质溶液。

3.2 刀具材料选择

由于钛合金导热系数低、塑性低、加工硬化倾向高等特性, 故在加工中切削力大、切削温度高, 导致刀具易磨损, 寿命减低, 所以要选用硬性好、耐磨性高的刀具材料。

3.3 零件加工后表面残余应力的处理

经过机械加工的钛合金零件表面产生应力, 这种应力的大小与切削加工条件有关。

消除应力退火处理是在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃和650℃分别加热保温5min、15min、30min、45min、60min、120min和240min后空冷进行, 完全消除应力, 退火中避免吸氢, 钛合金零件退火需在真空炉内进行, 既能消除应力, 又能除氢。

结束语

本篇文章对钛合金材料机械加工原则以及加工工艺作了浅要的论述, 经分析讨论后得出以下三点结论:1) 钛合金材料在进行机械切削加工时, 要尽量选择散热性好和抗高温性能好的刀具材料;2) 钛合金加工时要严格控制好切削用量和切屑数量;3) 钛合金材料进行切削加工后, 加工所得到的钛合金成品必然继续充分的冷却。

参考文献

[1]邹浩波, 张宇, 戴丽玲.高速切削加工的刀具材料及其合理选择[J].机械工人.冷加工, 2005 (4) .

钛及钛合金焊接工艺分析 篇3

关键词：钛及钛合金；焊接工艺；相关探究

广义来讲，钛及钛合金是以建筑结构材料形式产生的，同时由于钛及钛合金密度小以及抗拉强度相对较高等特点现已倍受青睐。而在300摄氏度到500摄氏度的高温状态下，钛合金金属材料仍具有足够高的强度，并且钛及钛合金具有优良抗腐蚀性，被多用于船只建造。

1.钛及钛合金焊接工艺特点分析

工业纯钛的抗拉强度普遍偏低，要想使得工业纯钛强度达到标准要求，就得对其进行合金元素施加，对工业纯钛进行不同种类元素和不同数量元素的施加会使工业纯钛产生三种不同类型的钛合金。其中，Ti-230材质的钛合金较为常用，一般加力燃烧室滚动轴承通常是由相应支撑环组件和加强环焊接组件共同构成。

2.钛及钛合金焊接组织和钛及钛合金相关焊接缺陷详述

2.1.钛及钛合金焊接组织

工业纯钛焊接组织和α钛合金组织二者在常温之下的显示状态为单相，但是二者的冷却速度却存在着很大不同，因为其会根据不同的冷却速度进行锯齿状组织生成和针状组织生成。机械性能相对于母材而言并不会发生较大变化，并且其具体焊接性能也非常良好。一般而言，α+β钛合金是从相关β相中加以冷却分解出来的，而在此过程中形成正规马氏体，但α'相数量和α'相形式都是按照钛及钛合金组成和钛及钛合金冷却速度加以进行细节变化的。我们应该知道，当α' 相有所增加时，钛及钛合金延伸性以及钛及钛合金韧性就会受其影响而降低，此时Ti-6Al-4V的焊接性能也会有所下降，虽然β稳定元素钒含量已经处在5%以上。需要强调的是，当马氏体温度低于室内温度时，此时焊接部位始处于亚稳定β相，所以可以确定焊接性能并不会劣化，但是由于元素过多所造成的影响，延伸性性能会在一定程度上得以降低。

2.2.钛及钛合金焊接缺陷分析

钛及钛合金通常会受到O元素和N元素以及C元素等影响致使污染状况发生且会出现脆化，在常温状态下钛及钛合金的状态比较稳定，但温度升高会对其造成相应影响，同时钛及钛合金对O元素和N元素以及H元素等的吸收能力也不断增强。Ti会从温度到达250摄氏度时开始实行收氢操作流程，之后当温度达到400摄氏度时便开始收氧，而温度达到600摄氏度时则进行收碳。焊缝区内比较容易出现裂纹，而裂纹种类主要包括热裂纹和冷裂纹以及延迟裂纹三种，热裂纹产生的主要原因是低熔点共晶在相应晶界的生成几率相对较小，当焊缝凝固时其相关缩量反而会减小。冷裂纹是指在温度较低状态且焊缝含氧量较高时钛及钛合金回首到焊接应力的影响出现一定数量的裂缝。延迟裂纹是指在进行钛合金焊接的过程中受到热影响区作用以至裂纹产生的一种状况。

3.钛及钛合金焊接工艺和焊接种类分析

3.1.钛及钛合金钨极氩弧焊工艺

一般而言，钨极氩弧焊工艺是在进行钛及钛合金焊接过程中最为常用的一种焊接手段，钨极氩弧焊是连接薄板和链接打底焊中最为适宜的焊接工艺。此类焊接工艺要求对相关工艺参数进行合理选择，因为只有选择适合焊接工艺的焊接工艺参数，才能在一定程度上提高焊接效率。钨极氩弧焊工艺主要缺陷就是其焊速相对较慢且焊接过程中焊件会产生变形，此时相应焊缝组织会显得极为粗大。活性焊剂会对钛及钛合金焊接工作造成不小影响，在同等焊接条件下，焊缝熔深会有所增加，同时焊缝宽度会被减小，此时若降低热输入，那么晶粒尺寸也会降低。活性剂配方是我们在焊接过程中所要考虑的重点事项，因为受作用机理不同所影响，种类较好的单作用材料被实施混合后其效果会下降，所以应在进行具体焊接施工的过程中要加大活性剂研发力度。

3.2.钛及钛合金等离子弧焊工艺

众所周知，等离子弧焊工艺的相关焊接范围较窄，并且等离子弧焊的焊接性较差，同时等离子弧焊重复性差的特点会造成等离子弧焊工艺技术发展停滞不前。我们应该知道，掌握影响钛及钛合金焊接稳定因素和了解钛及钛合金焊接稳定性作用规律是进行焊接工艺施工的首要工作，之后在此基础上运用现代化焊接控制技术以至提高钛及钛合金焊机自动化程度和准确合理控制等离子弧焊精确化程度。在等离子弧焊工艺中，其接头拉伸性与相应母材性能都比较良好，但是等离子弧焊焊缝冲击韧性却不尽人意，此时β相和马氏体针状α相二者与等离子焊接接头拉伸性能以及等离子弧焊焊接接头冲击性能都是以相对应形式出现的，但其塑性较低。

3.3.钛及钛合金真空电子束焊工艺

真空电子束焊比较适用于钛及钛合金焊接，因为真空电子束工艺中其焊接冶金质量高并且其焊缝较其他焊接工艺相比较窄，同时焊缝晶粒及热影响区晶粒较为细小，上述因素并不会被空气污染。但真空电子束焊工艺焊缝中容易出现大量气孔，并且结构尺寸会受到真空室限值，这样就阻碍了大量生产计划和生产流程。板厚方向深度增加的同时其融合区相应晶粒尺寸会得以减少，但此时显微硬度会增加。

结束语：

综上所述，在航空行业和化学行业以及造船工业中，钛及钛合金逐渐被广泛应用。需要注意的是，我们应该对钛及钛合金的焊接工艺以及相应焊接手段重视起来，因为只有对钛及钛合金实施科学合理焊接施工，才能达到企业的预期使用目的。

参考文献：

[1]赵明书.TA15钛合金电子束焊缝成分调控与接头力学性能研究[D].北京工业大学.2009

[2]杨智烨.置氢TC4钛合金与GH3128高温合金扩散连接工艺及机理研究[D].哈尔滨工业大 2003

TC4钛合金旋压成形工艺 篇4

TC4钛合金旋压成形工艺

通过对TC4钛合金旋压成形工艺技术的试验研究,分析了影响旋压成形和旋压件精度的因素,同时分析了旋压件的组织性能.试验结果表明,采用合理的.旋压工艺及工艺参数,可以旋制较高精度的TC4钛合金零件,且旋压件材料组织性能提高,非金属成分含量仍满足标准要求.

作 者：李启军 吕宏军 王琪 Li Qijun Lü Hongjun Wang Qi 作者单位：航天材料及工艺研究所刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(z1)分类号：V2关键词：钛合金 旋压 组织性能

钛合金结构件加工新工艺 篇5

关键词：:铝合金;石墨;可调石墨结晶器;机加工艺;贴合度

国产可调石墨结晶器的石墨板贴合问题是困扰我公司生产铝合金扁锭过程中的难题，虽然可以通过其他方法控制，但取得的效果有限。根据我公司在2010年购买的国产可调石墨结晶器在使用、维修和维护实践中遇到的一些问题进行分析研究，仅供铝合金熔铸行业人士参考，不妥之处敬请指教。可调石墨结晶器主要由石墨板和铝制型腔等组成。结晶器石墨板作为铸造铝合金时的工作表面，应该具有耐高温腐蚀、耐冷热冲击、气孔率高、渗透性好等特点。铸造过程中结晶器石墨板与高温铝液接触，油脂自动渗出实现自润滑功能。为保证结晶器石墨板能够连续的实现自润滑，应适当控制石墨板受热极限温度。结晶器石墨板温度越高，板内油脂溢出速度越快，有效润滑时间越短。结晶器石墨板温度升高时，多溢出的油脂在液态铝与石墨板接触区形成碳化物(油脂高温碳化)，并附着在石墨板上。附着的碳化物使石墨板工作面光洁度下降、增大摩擦阻力，造成铝合金铸锭表面拖拉痕或横向撕裂等铸造表面缺陷。结晶器石墨板产生热聚集后典型的铸锭缺陷有:铸锭纵向通体裂纹，表面拖拉痕，横向撕裂，铸锭壳层厚度不均，可起铸的工艺参数范围窄，起铸困难等等。为避免结晶器的石墨板局部发生大量热聚集，在结晶器的设计、加工、装配、使用等各个阶段应采取必要的预防措施，尽可能使石墨板与结晶器型腔充分贴合。石墨板与结晶器型腔贴合度越高，石墨板的导热效率就越高，铸造铝合金时石墨板的温度就会降低，油脂溢出速度也降低。油脂溢出速度的降低能够有效减少油脂碳化现象，从而提高铸造表面质量。可调石墨结晶器在铸造铝合金时石墨板非工作区域表面温度应低于60℃。

1结晶器材料的选择

正确的选择材料是制得优质结晶器的基础。选择材料时应注意以下几点:

1)选择主体材料时应避免钢、铝混用，以免因两种材料变形性能不同引起结晶器变形，增加铝合金扁锭的铸造工艺难度，尤其是挂板(上封板)或框架不能用钢板制作;

2)所用的铝合金主体材料都应经过热处理;

3)引锭头应使用同一种材料制作，避免钢铝混用，建议采用6061-T651铝合金热轧板;4)结晶器石墨板应选用热等静压石墨板［1］，石墨纯度不低于99．9%，密度介于1．6g/cm3～1．85g/cm3之间，石墨板的石墨平均粒径小于25μm，气孔率介于13%～15%之间，导热系数介于80W/(mK)～130W/(mK)之间。目前国内的热等静压石墨板的尺寸规格较小，无法满足铝合金扁锭结晶器的生产使用需求，基本依赖进口。

2可调石墨结晶器的设计加工

采用可调石墨结晶器，就是为了最大限度地降低结晶器的投资成本。实现同一结晶器一定宽幅内的任意调整，并能够适合大多数铝合金牌号生产的需求。科学合理的结晶器设计方案决定了结晶器的最终使用性能，因此在可调石墨结晶器设计阶段应注意以下几点:

1)该可调石墨结晶器将要生产的扁锭的铝合金种类;

2)以哪个铝合金牌号或者哪个铝合金系作为结晶器的设计基准，以及其期望实现的铸造速度;

3)可调石墨结晶器的内腔曲线设计;

4)可调石墨结晶器冷却水的出水孔孔道长度、冷却水孔间距、冷却水水孔直径以及结晶器冷却水喷射角度;

5)可调石墨结晶器石墨板的固定方案设计;

6)可调石墨结晶器的大面与小面过渡的Ｒ角(圆角)，需满足结晶器生产不同铝合金扁锭时更换不同角度石墨板的工艺需求，并能够实现Ｒ角快速更换的使用要求。图1为可调石墨结晶器3°石墨板所采用的Ｒ角示意图。铝合金扁锭的各向收缩量不同。在购买或设计可调石墨结晶器前，应明确主要生产的铝合金种类、铸造速度、结晶器石墨板的角度等。一般情况下生产1×××、8×××系铝合金扁锭时，结晶器石墨板选用0°石墨板;生产3×××、6×××系铝合金扁锭时，结晶器石墨板选用3°石墨板;生产5×××系铝合金扁锭时结晶器石墨板选用5°石墨板。建议其内腔曲线不要采用简单的几段直线或一段弧线，避免曲线过渡不够平滑引起石墨板与结晶器型腔产生间隙。图2中所示圈中部分为可调石墨结晶器石墨板容易产生间隙的部位。为避免石墨板与结晶器型腔产生间隙影响热传导，在设计加工可调石墨结晶器型腔曲线时需注意以下几点:

1)弧线部分尽可能采用多段直线或弧线(20～40段直线或弧线组成)，使线段间的衔接更加平滑。

2)直线调整段与弧线过渡衔接处应特别注意，不得有明显的过渡衔接痕迹。而绝大多数石墨板与结晶器型腔的间隙就是因为直接过渡的钝角引起的。过渡位置的加工工艺应通过反复试验，确保石墨板与结晶器型腔的贴合精度。

3)轧制面(大面)石墨板两端与结晶器型腔两端应预留足够的间隙，并应设计石墨板定位工具。可调石墨结晶器石墨板的定位工具主要是为了在维修、维护结晶器时方便快速定位石墨板和保证石墨板的安装精度。

4)结晶器小面的型腔曲线简单，加工难度较小，加工精度也容易控制，故此建议小面石墨板采用热装方式安装，有助于减小石墨板与结晶器型腔的间隙，增加导热能力。

5)可调石墨结晶器石墨板的固定方式必须满足提高石墨板贴合度的需求。

6)合理确定可调石墨结晶器的石墨板与结晶器型腔的加工顺序:第一步，制作可调石墨结晶器石墨板加工的胎模，降低石墨板加工过程中变形;第二步，加工石墨板的背面(与铝制腔体接触的表面);第三步，检验石墨板与铝制腔体的贴合度，并处理存在间隙部分，确保石墨板与铝制腔体的贴合度达到95%以上，不能有连续的不贴合部分;第四步，将石墨板固定在可调石墨结晶器大面型腔上加工石墨板工作表面;第五步，加工可调石墨结晶器石墨板其他需要加工和配合的部分;第六步，组装可调石墨结晶器，并检查石墨板与型腔的贴合度，可采用敲击的方式通过声音辨别是否存在间隙。

7)可调石墨结晶器的石墨板在加工过程中由于其长、宽、厚的比值较大，增加了机械加工过程中的变形量，而石墨在被机械加工时是以颗粒状被切削。因此合理优化石墨板的加工工艺显得尤为重要，特别是要控制石墨板的微量机械加工精度，建议参考《微铣刀几何参数对脆性微细等静压石墨件高速精铣削的影响研究》等相关文献［2］。

8)加工完成的可调石墨结晶器石墨板需要逐块进行气孔率检查，确保气孔均匀。均匀的气孔才能保证石墨板均匀的存储、释放油脂。气孔分布不均匀的石墨板会影响结晶器的自润滑性能。

9)建议对可调石墨结晶器所用的石墨板进行一些提高使用性能的处理，例如在原材料焙烧阶段或加工完成后进行适当的物理的、化学的或者其他的方法处理。

3结束语

可调石墨结晶器的其他各部分的加工在此不予赘述，相信各个结晶器制作厂家有自己独到的见解。可调石墨结晶器除了加工设计之外，日常使用和维护保养也很重要。建议用户经常检查、维护石墨结晶器的水过滤网、水孔、石墨板工作表面/背面等部位。日常使用的润滑油脂一定要保证质量可靠，不要采用植物油代替，有些植物油可能会导致石墨板的气孔堵塞，降低石墨板的使用性能，气孔堵塞的石墨板是无法恢复的。

参考文献:

［1］黄四信，何永康，马历乔．等静压石墨的生产工艺、主要用途和国内市场分析［J］．炭素技术，2010(5):32－37．

钛合金切削挤压复合攻丝研究 篇6

钛合金切削挤压复合攻丝研究

将切削挤压复合攻丝新方法成功地用于高强度钛合金内螺纹的加工,这种方法不仅可以减小挤压扭矩而且能够强化螺纹根部.加工的.挤压螺纹表面有一层纤维沿其牙形连续分布.利用云纹干涉法测得牙根处的最大残余压应力为120MPa左右.疲劳对比试验结果表明,在相同应力水平下,经挤压强化螺纹的疲劳寿命大约是未强化螺纹的3倍,这主要归因于挤压螺纹表面高的残余压应力,高的纤维密度和低的粗糙度.

作 者：徐九华 王珉 Xu Jiuhua Wang Min  作者单位：南京航空航天大学机电工程学院,南京,210016 刊 名：航空学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)：1998 “”(3) 分类号：V261.2 关键词：挤压强化   钛合金   加工硬化   残余应力  

浅析钛合金孔加工技术 篇7

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛, 882℃以上为体心立方的β钛。钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:α钛合金, β钛合金和α+β钛合金。由于合金组织稳定, 高温变形性能、韧性、塑性较好, 是航空业重要的原材料。钛合金特点主要表现在:

1.1 强度高、热强度高、耐蚀性好

钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右, 仅为钢的60%, 但钛合金的比强度 (强度/密度) 远大于其他金属结构材料。其次, 钛合金热稳定性好, 在中等温度下仍能保持所要求的强度, 在300℃~500℃条性下, 仍有很高的比强度, 约为铝合金的3~4倍。钛合金对应力腐蚀的抵抗力特别强, 且表面形成的致密的氧化膜对酸、碱、氯化物、氯的有机物品具有优良的抗蚀能力。因此在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等方面都有对钛合金使用。

1.2 导热性能差

钛的导热系数λ=15.24W/ (m.K) 约为镍的1/4, 铁的1/5, 铝的1/14, 而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%, 因而散热慢, 不利于热均衡, 特别是在钻削加工过程中, 散热和冷却效果更差, 在切削区易形成高温。

1.3 钛及其合金化学活性高

钛及其合金能与空气中的0、N、H、C0、CO2、水蒸气等产生化学反应, 在钛合金表面形成Ti C及Ti N硬化层, 使得脆性加大, 塑性下降;在高温高压下加工, 与刀具材料起反应, 形成溶敷, 扩散而成合金, 不利于切削加工。

2 在钛合金孔加工过程中出现的问题

影响钛合金孔加工质量的因素有很多。通过了解钛合金性能特点, 分析其加工特性, 结合在加工中出现的问题, 钛合金加工的难度主要体现在以下几点。

(1) 在钻削加工过程中, 在钻削区易形成高温;再加上钻头与前刀面接触面积小, 刀尖应力大, 切屑不易排出, 钻削用量不易控制, 易造成零件变形和烧刀现象。

(2) 钛合金弹性模量小, 在钻孔时钛合金在钻削力作用下产生较大的变形;在完成加工起钻时, 使已加工表面产生较大的回弹, 引起加工的零件超差, 加工面粗糙。

(3) 由于钛及钛合金化学活性高, 钛合金亲和力大, 加之高温高压作用, 在钻削时易产生粘刀现象, 切屑挤在钻头沟槽中不易排出, 造成刀具粘接产生积屑瘤, 甚至出现扭断钻头等现象。

鉴于钛合金孔在加工中易山现上述等问题, 在钛合金加工中需要改进加工方法, 通过改进工具来提高钛合金加工孔的质量和加工效率。

3 提高钛合金孔加工质量的措施

由于钛合金在孔加工时易出现高温区、烧蚀刀具, 产生积屑瘤, 零件超差, 加工面粗糙等现象, 在孔的加工中可以从以下几个方面来提高孔的质量和加工效率。

3.1 选择合适的钻头和工具

(1) 经不同材料的钻头试验分析, 超细品粒硬质合金钻头加工钛合金时刃口锋利、磨损小, 效率有了显著的提高, 是比较理想的刃具材料, 如果没有条件可以选择高速钢M42, B201或硬质合金钻头。

(2) 在钻头上设计四条导向刃, 可以增加钻头的截面惯性矩, 提高刚性, 其耐用度比标准钻头高3倍左右。同时由于导向稳定减小了孔扩张量, 如Ф3mm的四条导向刃钻头孔扩张量仅为0.03mm, 而标准钻头为0.06 mm。

(3) 采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃, 横刃长度为0.08~0.1钻头直径, 同时保证横刃的对称度小于0.05mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃, 起到分屑作用和减小在钻孔时的轴向力。

(4) 选择适宜的枪钻:在钻钛合金长径比大于5的深孔时, 当孔径小于等于30mm时, 一般采用硬质合金枪钻;当孔径大于30mm时, 采用硬质合金钻头或喷吸钻等。

3.2 选择正确的切削液

选用适合钛合金加工的冷却方式, 进行有效的冷却, 可延长切削刀具的寿命, 提高加工效率。

(1) 在钻浅孔时可选用电解切削液, 其成分为三乙醇胺, 癸二酸, 硼酸, 亚硝酸钠, 甘油和水。

(2) 在钻深孔时, 因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡, 易产生积屑瘤, 使钻孔不稳定, 不宜选用水基切削液。一般采用豆油, 必要时可加入钻孔攻丝专用油和添加剂为切削液, 经高压空气油雾器雾化后, 通孔道直接将冷却气雾送至切削区域, 进行冷却和润滑, 且切屑易排出钻头, 获得更佳的冷却润滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

钛合金的性能特点要求钻削在加工时钛合金需采用合适的方式。一般采用低转速, 适中的进给量;在加工深孔时要勤退刀并及时清除切屑, 注意切屑的形状和颜色。如在钻削过程中切屑出羽状或颜色变化时, 表明钻头已钝, 应及时换磨刀刃。

为了提高工艺系统刚性, 钻模应固定在工作台上, 钻模引导宜贴近加工表面, 尽量使用短钻头;当采取手动进给时, 钻头不得在孔中不进不退, 否则钻刃摩擦加工表面, 造成加工硬化, 使钻头变钝, 影响孔的质量和加工效率。

4 结束语

钛合金材料在航空、航天领域中被广泛应用。但其较差的加工性能, 制约着钛合金零件加工质量和生产效率, 尤其在钻孔和攻丝方面表现较突出。因此在孔加工方面提出合理的加工方式, 加工方法, 加工工具可以改善孔的加工质量, 提高加工效率。

参考文献

[1]李富长, 宋祖铭, 杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].南京机电液压工程研究中心.

[2]张利军, 申伟.钛合金材料的钻孔技术分析[J].西安北方光电科技防务有限公司.

钛合金结构件加工新工艺 篇8

近年来,钛及其合金已被广泛应用于航空、航天、原子能、海洋开发以及医疗器械等方面,这是与其诸多优良性能分不开的。钛合金的密度小,强度高,不生锈,抗冲击,并具有优异的耐热和耐腐蚀性能。然而,钛合金的导热性差、黏性大、塑性低、硬度高、弹性变形大等特点,导致其机械加工困难,是具有代表性的难切削材料之一[1]。

电火花加工[2]电极和工件不直接接触,不存在机械应力,依靠两极间脉冲性火花放电产生大量的热量,使材料熔化、气化并抛离基体,因此可缓解钛合金机械加工难的问题。

但钛合金电火花加工也有其特殊性。与常规金属相比,钛合金材料放电加工有下列加工特性[3]:1) 钛合金的热传导率极差(约为黑色金属的1/5),电火花加工过程中的极间热量不能及时向外传播,同时火花油局部高温分解后可能在极间积碳,严重时会产生拉弧,烧伤电极。2) 钛合金在高温时其化学活性很高,电火花放电后与O2,H2,CO,CO2等气体及加工介质中析出的碳发生化学反应,并会生成TiC,TiN等更高熔点的薄膜,使表面硬化、变脆,增大电火花加工的难度。3) 钛合金的化学亲和力大,易与放电产物发生粘附,引起电弧放电、二次放电等现象,也会导致极间局部积碳,烧伤电极,导致电极损耗严重、零件表面品质降低等后果。

从上述特性可以看出采用传统的油类工作介质对钛合金进行放电加工,电极损耗大、加工效率低,西南交通大学的强华等[4]采用紫铜电极对TC4钛合金进行电火花成形加工实验,测得精规准时电极相对损耗率高达45%。

为改善油类工作介质对钛合金放电加工的负面影响,有些学者以水作为工作介质代替火花油行试验研究。台湾国立中央大学的萧至君[5]和S.L.Chen[6]分别研究了火花油、蒸馏水对钛合金放电加工特性的影响,发现采用蒸馏水作工作介质可获得较高的材料去除率和低的电极相对损耗,且加工更稳定。但并未给出这一现象产生的机制解释。

本文以钛合金TC4为加工对象,使用紫铜电极在蒸馏水和火花油中进行电火花加工对比试验,分别探讨钛合金TC4在两种工作介质中放电加工的电极损耗机理,进而为制定减少电极损耗的工艺措施提供理论指导和实践依据。

1 试验条件

1)试验设备:

NH7125数控电火花成形加工机床;

2)试验材料:

TC4钛合金(Ti-6Al-4V,密度4.5g/cm3);

电极材料:紫铜(直径d10.0mm,密度8.9g/cm3);

3) 工作液:

蒸馏水、火花油;

4) 检测设备:

优利德公司的UT2000数字存储示波器、日本日立公司S3400扫描电子显微镜、FA1004电子天平。

2 试验内容

试验选用三组不同的电参数和2种工作液(蒸馏水和火花油)对TC4进行电火花加工实验。主要电参数如表1所示。由于钛合金在蒸馏水中采用正极性加工时,会在加工区域的周围产生蓝紫膜,而负极性加工没有蓝紫膜产生,因此本试验采用负极性加工。加工时间为10min,加工前后用电子天平FA1004(分辩率为0.1mg)称出工具电极的质量(称前用超声清洗机清洗并吹干),进而比较两种工作介质的电极相对损耗率。

3 试验结果与讨论

从图1中可以看出:两种加工条件电极绝对损耗相差不大,均较小,并且在条件2和3时,蒸馏水加工中的电极损耗均比火花油小,而在条件1时比火花油大。分析认为:在蒸馏水中加工在电极表面会产生钛的氧化物,加上工件的飞溅产物,将形成一层与火花油中产生的覆盖层相似的保护层,有效地降低电极损耗。随着脉宽及电规准的增大,火花油中碳的覆盖效应愈加明显,能更有效地减少电极损耗,而蒸馏水中不存在碳元素,不会产生碳的覆盖效应,

从图2中可以看出:1) 无论使用火花油还是蒸馏水作工作液,钛合金放电加工电极相对损耗均随着电规准的减小而增大。分析认为:脉宽变大,单位时间内脉冲放电次数减少,使放电击穿过程引起的工具电极损耗的影响减少;同时,负极(工件)承受正离子轰击的机会增多,正离子加速的时间也长,极性效应比较明显。另外,脉冲时间的延长,电极覆盖效应增加,对电极表面起的补偿作用也减少了。2) 在任一条件下,钛合金在蒸馏水中放电加工的电极相对损耗率均小于火花油。分析认为:蒸馏水的流动性和冷却性均比火花油好,能及时将蚀除产物排出加工间隙,且及时冷却放电通道,消电离较充分,加工时能更好地改善极间的工作状况,加工过程更稳定,大大提高了脉冲利用率,从而降低了电极相对损耗率。

因此,采用蒸馏水作为工作介质进行钛合金TC4的放电加工,电极绝对损耗与火花油相差不大,而相对损耗却大大降低。

为进一步分析钛合金在蒸馏水和火花油中加工的放电状态,进而研究电极损耗的机理,下面从蒸馏水和火花油的放电波形和电极表面微观形貌进行分析。

3.1 波形分析

图3为在条件3时分别在蒸馏水和火花油中加工所采集的典型的放电波形。从图中可看出:火花油中的放电间隙电压比蒸馏水大。分析认为:火花油的绝缘性较蒸馏水强,即极间电阻大,则两极间的放电维持电压较高,导致单脉冲放电能量增加,极间放电后产生的发热量增加。

另一方面,考虑加工的连续状态,采集了连续加工波形如图4所示。从图4中可以看出:钛合金在蒸馏水中的加工多为正常放电状态而火花油中的加工存在部分拉弧放电状态,即钛合金在蒸馏水中的加工状态比在火花油中稳定。分析认为:蒸馏水的流动性和导热性好,有利于消电离的进行,保证了加工的稳定性,另外其脉冲利用率高,加工效率快;而火花油中部分击穿延时时间为零表明放电间隙小,极间介质的物理状态恶化(蚀除产物浓度过大或是局部温度过高),从而造成电弧放电。且火花油的导热性和流动性差,热量扩散缓慢,热量主要集中在两极之间。从而使电极吸收的能量过大,损耗率也大大提高,同时也降低了加工效率。

钛合金TC4由于热导率(15.24W·m-1·k-1)较低,所吸收的能量也少,而紫铜电极的热导率(386.4W·m-1·k-1)较高,所吸收的热量较多,但是其所能吸收的热量是一定的,那么剩余的热量只能向工作介质传递。由于蒸馏水的导热率(0.54W·m-1·k-1)大约是火花油(0.12 W·m-1·k-1)的4倍,其带走的热量比火花油多,且其流动性好,能带走更多的热量和极间的离子,因此消电离就充分,放电加工稳定。而火花油的流动性差,能带走的热量有限,导致其消电离不充分,易引起拉弧放电,增加电极损耗。图4(b)中的异常波形,就是消电离不充分而引起的拉弧放电。

3.2 微观形貌和主要成分分析

a) 微观形貌分析

图5为条件3的电极表面形貌SEM图。可以明显的看出,蒸馏水中加工的电极表面比较平整光滑,而火花油中加工的电极表面较粗糙。分析认为:在电火花加工过程中,每次脉冲放电都会使电极表面的局部金属瞬时熔化和气化,其中有一部分被抛离电极表面而在液体介质中冷却凝固,其余的则在电蚀坑周围重新凝固。蒸馏水的流动性和冷却效果均优于火花油,加工过程中产生的气泡可带走部分热量且极大的改善极间介质的流动状况,因此蚀除产物部分抛离电极表面可迅速得到冷却并被水流带走,这就使得电极表面较为平整,并且电极上分配到的能量也降低,进一步减少了电极的损耗。火花油的流动性差,蚀除产物形成后排出比较困难,部分蚀除产物在加工区域重新冷却凝固在电极表面,形成较大的液滴。此外加工过程的放电能量向外扩散缓慢,集中在两极,导致拉弧现象产生,电极损耗增加。

b) 主要成分分析

试验采用扫描电镜附加的能谱分析仪器对电极表面的主要成分进行分析。图6为蒸馏水和火花油中进行条件3加工的电极表面能谱图。表2为电极表面主要成分表。从表2中可以看出:1) 在蒸馏水中加工的电极表面含有大量钛和氧,其存在形式主要是钛的氧化物。分析认为:加工过程中工件的基体材料熔化、气化,在抛离工件表面后与蒸馏水中的氧气发生氧化反应,并附着在电极表面形成一层保护膜,可减少电极损耗。2) 在火花油中加工的电极表面含有大量钛和碳,其存在形式主要是钛的碳化物。分析认为:在电火花加工过程中,工件的蚀除产物和火花油分解的含碳物附着于电极上,并渗入电极内部,表面形成覆盖层,即覆盖效应。除了碳层的覆盖效应,由于钛的化学活泼性质,工件的蚀除产物钛和火花油的分解产物碳在高温条件下可发生化学反应形成钛的碳化物,并附着在电极表面。

综上所述,电极表面分别出现钛的氧化物和钛的碳化物,钛的碳化物熔点(3150℃)远远高于钛的氧化物熔点(1750℃),因此熔化、气化钛的碳化物所需要的能量更多,即火花油中电极表面的覆盖层更有利于减少电极损耗。但是覆盖层除了钛的化合物还有工件的飞溅产物,从表2中可以看出在蒸馏水中电极表面钛的含量较火花油高,说明工件的飞溅产物较多,使其电极绝对损耗与火花油相当且较小。此外这些钛的化合物同样存在于工件表面,且两者的熔点均高于纯钛的熔点(1660℃),对加工效率产生一定的抑制作用,只是钛的氧化物的熔点与纯钛相差不大,对加工效率的影响较小,而钛的碳化物一旦在工件表面形成,则蚀除更加困难,因此会造成钛合金TC4在火花油中加工效率进一步降低,导致进一步增加了在火花油中加工的相对电极损耗。

4 结论

本文研究了钛合金在蒸馏水和火花油中放电加工的电极损耗机理,得出如下结论:

1) 钛合金在蒸馏水和火花油中加工的电极相对损耗损耗均随着电规准的减小而增加。

2) 由于蒸馏水热导率比火花油高4倍以上,且流动性和冷却性也较好,消电离过程中能带走极间大部分热量和离子,使得消电离较充分,加工稳定,大大提高了加工效率。相应地,电极相对损耗比火花油低。

3) 无论参数大小,钛合金在蒸馏水中加工的电极表面均比在火花油中加工的电极表面平整,即钛合金在火花油中加工的电极表面比较粗糙,对加工精度影响较大。

4) 两种加工方式在电极表面均形成覆盖层,其中包括钛的化合物(氧化钛和碳化钛)和工件的飞溅产物。因此,两种加工方式的电极绝对损耗均较小且相差不大。

摘要：针对钛合金TC4在火花油中放电加工电极损耗大的问题,以蒸馏水和火花油为工作介质,进行了钛合金TC4的放电加工试验,分析比较了两者的电极绝对损耗量和相对损耗率的差异,并从加工波形和加工后电极的表面微观形貌及主要成分等几个方面研究了电极损耗机制。结果表明:蒸馏水的绝缘性较差,而流动性和冷却性好,消电离较充分,改善了极间状态,加工稳定,使加工效率大大提高;另外加工过程中产生的少量氧化钛和从工件飞溅的蚀除产物附着在电极表面,形成覆盖层,有效抑制了电极损耗。其电极绝对损耗与火花油加工时相差不大但相对损耗却大大降低。

关键词：钛合金TC4,电火花,电极损耗,机理

参考文献

[1]李富长,宋祖铭,杨典军,等.钛合金加工工艺技术研究[J].新技术新工艺,2010,(5).

[2]李明辉.电火花加工理论基础[M].北京:国防工业出版社,1989.20-21.

[3]钟晓红,陈济轮,张昆.钛合金材料类零件电火花高效加工工艺应用研究[C][//2008年全国电火花成形加工技术研讨会论文集.北京:中国机械工程协会,2008,23-29.

[4]强华,张勇,黄楠,等.电火花加工TC4钛合金时电极损耗的探讨[J].新技术新工艺,2006,(10):18-19.

[5]萧至君.不同加工液(煤油、蒸馏水、混合液)对钛合金放电加工特性之影响[D].台湾:国立中央大学,2000.

钛合金短轴的工艺研究 篇9

钛合金短轴及其组件由2个单件短轴、挡油环电子束焊接组成, 结构特殊, 精度要求高, 技术条件要求比较严格, 加工很难保证。以前从未加工过类似结构的工件, 没有可借鉴的加工经验。钛合金材料难加工, 而钛合金制作的薄壁曲面工件, 更难以保证其高精度的要求, 实现此类特殊短轴工件的技术突破, 对研究短轴及其组件有着重要的意义。

2 制定工艺前准备

2.1 零件图分析

钛合金短轴是由2个单件短轴和挡油环电子束焊接组成, 主要单件材料为钛合金, 尺寸和技术条件多, 精度要求高, 很多技术条件都在0.008~0.02之间, 且大多数为重要特性;径向基准面为4级要求, 尺寸公差0.012, 粗糙度Ra0.8, 圆柱度0.008, 与轴向基准跳动0.02;内花键要求精度高, 齿向公差0.015, 不好保证;4个Φ4深70和16个Φ4深40的深孔, 很难加工。还有径向孔和槽、静平衡等多项技术要求, 精度要求高, 加工很难保证。我们以前从未加工过类似结构的轴颈零件, 没有可借鉴的加工经验。

2.2 材料切削加工性

材料为钛合金, 属难加工材料, 切削加工性差, 加工效率低, 刀具磨损大。

钛合金切削加工性差的原因:

(1) 导热系数小, 切削温度高。热扩散率 (α=λ/cρ, 其中c为定压电热容, ρ为密度, λ为导热系数) 表明铁、铝的热扩散率分别是钛的4倍和16倍, 钛合金的导热系数平均为工业纯钛的一半, 比不锈钢, 高温合金的导热系数还要低, 这是造成切削温度高的主要原因。

(2) 切屑与前刀面的接触长度短, 刀尖应力大。钛合金切屑与前刀面的接触面积小, 只有45号钢的1/2~2/3, 所以单位切削刃上承受的应力就较大, 是钢的1.3~1.5倍。由于刀尖附近应力集中, 刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。

(3) 摩擦系数大, 摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢与刀具材料间的摩擦系数。切屑沿前刀面流出的速度VC=V/ξ, 而钛合金的切削变形系数ξ远比其他金属材料小, 因而钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度高。结果是摩擦功大, 摩擦界面温度高, 刀具易磨损。

(4) 钛和钛合金在高温时化学活性高, 能与空气中的氢、氧和氮起化学作用, 形成脆性层、降低塑性, 并且使切屑与前刀面的接触长度减小, 使刀具磨损加剧。

(5) 弹性模量小, 屈服比大。钛合金的弹性模量约为钢的一半, 这就意味着切削加工时钛合金零件容易产生较大变形。弹性模量小和屈服比大又会使已加工表面产生较大的回弹, 使切削时刀具实际后角减小, 则后刀面与零件的摩擦将增大。

钛合金材料难加工, 而钛合金制作的薄壁曲面零件, 更难以保证其高精度的要求。

3 主要表面的加工方法

3.1 内外型面的加工

内外型面尺寸多, 配合尺寸精度比较高, 技术条件比较严, 5个配合面对基准跳动均为0.02, 径向基准面为4级要求, 尺寸公差0.012, 粗糙度Ra0.8, 圆柱度0.008, 与轴向基准跳动0.02, 见图3.1。考虑到组件只是电子束焊接挡油环, 变形影响很小, 所以内外型面、孔、花键、槽等在单件上加工完成, 焊接、静平衡在组件上进行。内外型面在单件上进行粗车、精车加工, 保证配合尺寸和技术条件, 加工前找正基准跳动不大于0.01。

3.2 内花键的加工

短轴大、小端各有1个内花键。大、小端内花键齿向公差0.015, 精度要求较高, 不好加工。内花键加工采用德国进口的数控插齿机进行插齿, 刀具采用专用插齿刀, 加工前先插试件, 试件合格后再插工件。插齿时以端面为基准, 压紧上端面, 加工前找正内孔表面不大于0.01。

3.3 深孔的加工

端面上有深70和深40的深孔, 对基准外圆的位置度0.15很难加工保证, 由于组件电子束焊接上单件挡油环后, 槽口只有5个宽, 机械加工难度更大, 所以深孔选择在单件上加工。

3.4 电子束焊接

短轴组件由2个单件电子束焊接组成, 主要单件材料为钛合金, 根据工件的特性及标准的要求, 我们采用了真空电子束焊机进行焊接。焊接前先用试片进行焊接试验, 试片材料与工件相同, 接头型式与工件相同。试片规格与数量如表3.1。由于设计结构缘故, 焊缝锁底宽度只有1, 再加上材料原因, 焊接性不好, 所以对试片焊接后先进行X射线检验焊缝, 待合格后, 再进行工件焊接。工件焊后进行消除应力热处理, 采用真空炉。

3.5 静平衡

静平衡采用立式平衡机, 制作专用夹具。平衡工件前先对夹具进行静平衡, 找正夹具的配合表面的跳动不大于0.015, 夹具的不平衡量应不大于2g.cm。然后再对工件进行静平衡, 找正工件外圆跳动不大于0.02, 再按设计要求位置及尺寸用铣削加工和打磨方法去除材料, 剩余不平衡量不大于10 g.cm, 去除后表面粗糙度为Ra3.2。

结语

经过进行钛合金短轴及其组件工艺的分析研究, 优化了工艺路线、加工方法, 结果表明工艺路线、加工方法可行, 工件加工符合设计要求, 因而为类似短轴工件的机械制造加工提供了宝贵的经验。

参考文献

[1]柯明扬.机械制造工艺学[M].北京航空航天大学出版社.1996.

[2]黄鹤汀, 吴善元主编.机械制造技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]陈日曜.金属切削原理》第2版[M].北京:机械工业出版社.2000.

钛合金结构件加工新工艺 篇10

钛及钛合金具有强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列优点, 主要用于飞机结构中承载大、温度高的特殊载荷部位, 如发动机承载框、挂架、起落架舱框等, 并已逐步代替铝合金成为飞机主要承力结构材料, 如第三代战斗机F-15 钛合金的用量占27%, 第四代战斗机F- 22 钛合金的用量占41%, 国内钛合金的用量从歼7 ( 60 年代投产) 中的9 kg增加到歼8 ( 70 年代投产) 中的60 kg[1], 随着航空航天工业的进一步发展, 钛合金的用量比例将会进一步增加。

残余应力的测试技术始于20 世纪30 年代, 迄今为止根据资料可了解的有10 多种。其测量方法大致分为机械释放测量法和非破坏无损伤测量法2 种。其中机械释放法包括有钻孔法、切槽法、剥层法和取条法等。非破坏的无损伤测量法主要有X射线衍射法、中子衍射法、超声波法、电子散斑干涉法和磁性法[2,3,4]。在切削加工过程中, 由于机械应力与热应力共同作用, 导致塑性变形的产生, 局部体积不协调, 金相组织变化导致材料晶体体积变化等, 这些体积的变化产生的应力重新分布, 最终在全局达到一种平衡, 形成加工残余应力。80 年代后, 对残余应力的研究开始逐渐增加。Mastumoto对硬车削加工过程进行了实验研究, 指出进给量和切削深度对残余应力值几乎没有影响, 而刀具几何形状却对表层残余应力的分布影响明显[5]。Jacobson对硬车削加工M50 钢的实验研究发现, 已加工表面产生残余压应力, 大的刀具负前角和小刀尖半径更易产生残余压应力, 硬切削时切削深度对残余应力没有影响[6]。

现有的针对钛合金的表面残余应力研究已进行得较为深入, 但对于表面残余应力层沿深度方向的残余应力分布情况所进行的研究还比较少。为此, 现利用化铣剥层测试技术, 在最大限度节约研究成本的前提下, 探索TC4 材料在铣削加工过程中不同铣削参数对其表面残余应力的影响规律, 为控制已加工表面残余应力提供依据。

1 化铣剥层法测量原理

设定零件长度为L, 厚度为H, 零件的几何中间位置即为零件的中性层, 高度为H/2。假定第一次腐蚀的深度为ΔH1, 可得第一次腐蚀后中性层位置向远离加工面方向移动了。

假定零件挠度趋于稳定时一共腐蚀了n次, 第n次腐蚀的材料层厚度为 ΔHn, 此时零件剩余厚度Hn, 在腐蚀最后一残余应力层时由于没有其他残余应力共同作用, 因此可认为该层腐蚀引起的挠度变化值 ΔYn完全是由该层的残余应力 σn的释放而引起的。根据弯矩是由力与力臂的乘积来表示, 可得第n应力层弯矩计算方程:

其中: Fn为第n层的作用力; ln为第n层被腐蚀前其中心线与中性层的距离; a为条形件的宽度。

第n应力层在第n次腐蚀剥层被完全去除材料之后条形件内部所产生的弯矩变化表达式为:

其中: 上标n表示第n次腐蚀; 下标n表示第n应力层; 以下均以此含义表达。

由材料力学中弯矩与挠度的关系式可得:

其中: E为条形件材料的弹性模量, I为横截面的二次截面矩, 可将 ΔMnn通过挠度表示为:

其中: In为第n次腐蚀后条形件横截面的二次截面矩, 其表达式为:

综上各式, 可得第n层的平均残余应力表达式:

以此类推, 倒数第m层的应力可表示为:

其中: ΔMn-m+1n-m+1的值为:

综上所述, 在计算一层应力时需要考虑在其之后腐蚀的每一层应力值所引起的弯矩的变化, 以此为基础, 求得各层残余应力平均值[7]。

2 试验过程

2.1 试验方案

铣削试验方案采用单因素设计形式, 铣削参数设置如表1 所示。

2.2 工件材料

试样材料为钛合金Ti6Al4V板材, 材料主要化学成分见表2。从同一板材割取170 mm×20 mm×5 mm尺寸试样若干。先进行退火处理消除原先内应力 ( 退火温度600 ℃ ) , 保温2 h, 随炉冷却。试样如图1 所示。

2.3 加工设备与刀具

机床为Mikron UCP710 五坐标高速加工中心, 使用M.A.FORD 17762900A型硬质合金刀具。工件的装夹和切削方式如图2 所示。

2.4 测量设备

激光位移传感器1 台, TH5660A立式加工中心1 台, 笔记本电脑1 台, 测厚规1 个。

2.5 试验方法

钛合金的化铣液选用HNO3做氧化剂, 主要作用是抑制氢的生成和提高化铣表面的粗糙度; HF做腐蚀剂, 作用是加速钛的腐蚀溶解 ( 其中每次化铣剥层HNO3用量60ml, HF 30ml, H2O 150ml, 以此保证腐蚀速率约为5 um / min) [8,9]。使用硅胶和胶布对条形件的侧面及背面进行密封, 防止因腐蚀对挠度的精确测量造成影响。通过控制腐蚀时间 ( 约2 min) , 确保每次腐蚀厚度在10 um左右, 腐蚀过程中均匀搅拌化铣液以保证条形件腐蚀均匀, 取出条形件后立即用水清洗。

在化铣剥层开始前, 需要首先测量条形件背面的原始轮廓。使用夹具将零件固定, 记录下此时零件的位置, 以便此后的测量均在此位置进行, 确保测量的精确性。将条形件加工面朝下并在机床工作台固定完毕后, 把激光位移传感器固定在机床主轴上, 设定程序, 使条形件相对于激光位移传感器做匀速直线运动, 如图3 所示。得到背面轮廓数据后去除两端50 mm的部分, 留下中间长度120 mm加工部分背面轮廓线, 将挠度曲线旋转至两端水平得到轮廓曲线W1。将加工背面、侧面密封好后的条形件放入化铣液中剥层。使用计时器计时, 约2 min将条形件取出, 去除背面的胶布, 使用精度为0.001 mm的测厚规测量被腐蚀条形件的厚度, 为保证测量精度, 这里使用多次测量求平均值的方法进行测量。而后, 继续使用激光位移传感器扫描条形件的背面, 得到轮廓曲线, 处理方式如同W1, 得到轮廓曲线W2, 求得曲线W2与W1之差, 可得挠度为Y1的抛物线, 如图4 所示。

重复上述操作, 直至条形件的挠度几乎不变为止, 此时的铣削加工残余应力层已被基本腐蚀完毕。

3 实验结果与分析

将测得的数值带入之前的公式中计算可得不同加工参数下随深度变化的残余应力值曲线如图5、图6、图7、图8 所示 ( 1-5 的序号是表1 中加工参数由小到大依次对应) 。

已加工表面应力状态随材料性能和切削条件的不同而有所差异, 可表现为拉应力或压应力[10,11]。在钛合金顺铣加工中, 残余应力的产生主要与铣削力和铣削热引起的塑性变形有关。

图5 为残余应力随径向切深的变化曲线。当径向切深由0.2 mm到1 mm变化时, 表面残余压应力值有明显增大趋势。这是因为随着径向切深增大, 铣削面积增大, 铣削力增大, 所产生的切削热增多, 但此时切削刃参与工作的长度增加, 改善了散热条件, 导致切削温度变化不明显, 因此由冷塑性变形产生的压应力增大。

图7 为残余应力随每齿进给量变化曲线。当每齿进给量由0.026 mm~ 0.033 mm变化时, 表面残余压应力值有明显增大趋势。这是因为随着每齿进给量增加, 金属切除率增大, 单位时间所产生的热量也增多, 导致切削温度升高, 使热塑性变形引起的拉应力与冷塑性变形引起的压应力相互抵消一部分, 但此时依然是冷塑性变形占据主导地位, 因此, 表现为条形件表面的残余压应力水平降低, 逐步趋向于拉应力。

图8 为残余应力随铣削速度变化曲线。当铣削速度由50.24 m/min ~ 150.72 m/min变化时, 表面残余压应力值逐步减小。这是因为随着铣削速度增加, 铣削力降低, 铣削温度升高, 由冷塑性变形引起的压应力减小, 同时由于热塑性引起的拉应力与冷塑性引起的压应力相互抵消一部分, 但是冷塑性变形依然占据主导地位, 因此表现为条形件表面的残余压应力水平降低。

综上所述, 铣削加工在工件表面产生的残余应力在深度方向上由压应力逐步变为拉应力, 总体范围在-90 MPa与30 MPa之间。随着铣削速度增加, 残余应力沿深度方向的绝对值减少。随每齿进给量增加, 残余应力沿深度方向的绝对值减小。通过数据的对比可以发现, 随径向切深增加, 条形件表面的压应力有整体增大的趋势。轴向切深的改变对残余应力的影响基本可以忽略。

4 结语

1) 铣削加工在工件表面产生的残余应力在深度方向上由压应力逐步变为拉应力, 且随着铣削速度的增加, 沿深度方向的残余压应力值呈现减小趋势; 随着每齿进给量的增加, 其沿深度方向的压应力值呈现减少趋势; 随径向切深增加, 条形件表面的压应力值有增大趋势; 轴向切深的改变对残余应力值几乎没有影响。

2) 通过改变铣削参数, 有可能产生定制化的残余应力。这对于改善工件表面完整性, 提高工件的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能具有重要的指导意义。

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