鈦合金高精度薄壁圓環齒輪的加工工藝

□ 王文仲 □ 張 勇 □ 王 斌

西安北方光電科技防務有限公司 技術中心 西安 710043

鈦合金高精度薄壁圓環齒輪加工時的變形問題，已成為加工難點。對此難題，總結以往類似零件加工工藝及措施，結合新技術、新工藝，調整零件加工工藝方案，逐步摸索出一套解決該類零件加工的成熟工藝。

1 零件工藝性分析

某6級精度的齒輪，材料為鈦合金TC4，模 數為1 mm,齒數為302，零件如圖1所示，要求齒頂圓相對基準內環孔的同軸度為φ0.015 mm，兩端面相對基準內環孔的垂直度為0.015 mm，齒輪厚度為8 mm。6級精度齒輪檢測控制要素有：齒形公差為0.009 mm，齒向公差為0.009 mm,齒距累積公差0.063 mm,齒距極限公差±0.011 mm。該齒輪屬典型的薄壁零件，剛性差，易變形。鈦合金材料因熱導率小、彈性模量小，故其本身材料剛性也差，不易加工制作薄壁零件。因此，研究薄壁圓環形零件加工變形的控制有其必要性。

2 鈦合金材料性能特點

鈦合金材料具有較好的力學、化學、物理等綜合性能：①質輕，密度為 4.315 g／cm3，是鋼的 60%左右，但其比強度（強度/密度）為23～27，是金屬材料中最高的；②鈦合金材料熱穩定性高，工作溫度達500℃ ,在300～350℃條件下其強度比鋁合金高10倍；③抗蝕性好，表面能生成致密堅固的氧化膜，其耐蝕性比不銹鋼還好；④熱導率小，彈性模量小，剛性差，變形大，不宜制作細長軸類和薄壁零件。

▲圖1 齒輪示意圖

鈦合金切削性能差，是典型的難切削材料，其難點體現在：①導熱系數低，在切削過程中散熱和冷卻效果很差，易在切削加工區形成高溫；②鈦合金材料彈性模量小，屈服強度高，加工變形回彈量大，造成刀具后刀面劇烈的摩擦、黏附、黏結磨損；③變形系數小是鈦合金加工的顯著特點，甚至小于1，切屑與刀具前面的接觸長度很短，單位面積上的切削力大，集中在切削刀尖處，極易造成崩刃；④鈦合金化學活性高，在高溫下易與刀具材料起反應，形成熔敷、擴散、黏刀、燒刀等現象；⑤主切削力Fc小，背切削力Fp大。

3 零件加工工藝方案

齒輪加工分齒坯加工和齒形加工兩個階段，齒坯精度直接決定齒輪精度，影響齒輪精度的齒形、齒向、周節累積、齒圈徑向等誤差。通過分析齒輪加工工藝性、材料性能特點，制定了滿足齒坯加工精度要求的工藝方案，它是解決鈦合金高精度薄壁圓環齒輪的關鍵環節。具體加工工藝方案為：鍛造毛坯→粗車毛坯→結晶退火→粗車齒坯→冷熱循環→半精車→去應力退火→半精車→去應力退火→輔助工序→深冷處理→齒坯精加工→制齒→冷熱循環二次。

該加工流程粗、精加工劃分清晰，輔助工序設計合理，消除了各階段產生的加工應力，較好地控制了加工過程中零件變形問題。鍛造毛坯粗車后晶粒變形，由于材料金相組織及應力狀態不平衡，進行再結晶退火，使材料重新結晶，組織恢復平衡，零件內部應力得到充分釋放。毛坯第二次粗車后，進行冷熱循環，穩定材料組織和消除切削應力。二次半精車后，進行去應力退火，穩定材料組織，消除切削應力。齒坯精加工前通過深冷處理，消除材料組織彌散產生的應力，提高大型精密零件長期使用過程中精度的穩定性。零件加工完成后，再進行兩次熱處理冷熱循環，進一步穩定組織，穩定零件尺寸，消除齒面應力，滿足零件長期使用要求。

4 采取的工藝措施

（1）設計環形工藝凸臺。在毛坯粗車工藝中，規定沿軸線方向用壓板壓緊，禁止使用三爪等徑向壓緊方式，防止產生3點變形等。粗車毛坯時，為解決零件裝夾，在零件上設計如圖2所示的序號1及序號5所形成的工藝凸臺，解決零件的定位、夾緊問題。

（2）設計專用夾具。設計如圖3、圖4所示的專用夾具，確保加工時不沿徑向產生壓緊力，避免產生夾持變形。圖3夾具中，調整螺釘的作用與通用輔具四爪調整原理相同，既有利于零件找正，又采用沿軸線方向壓緊。再利用校正裝夾的方法，避免定位誤差而引起零件表面余量分配不均產生的加工誤差，消除復眏誤差。

在第二次定位誤差粗車齒坯時，使用圖3夾具，利用圖3中的調整螺釘及百分表校正零件定位誤差在0.005～0.008 mm內，再使用圖3中調整螺釘壓緊零件，進行切削齒輪側面及基準孔內徑。使用圖4夾具，用基準孔及齒輪側面定位，軸向壓緊后切削環形工藝凸臺兩側面，保證平行度不大于0.008 mm,圖4夾具上設計前引導，保證零件光滑裝卸。毛坯精車后，使用圖4夾具裝夾，逐層切除環形工藝凸臺，控制好切削參數。

（3）調整熱處理工藝參數。據有關資料介紹，鈦合金材料中應力釋放與時間成指數關系，還與溫度有關。1 h內，在270℃、390℃、495℃、590℃時應力會分別釋放12%、16%、65%和97%。按實際情況，在590℃下，大約2 h應力會得到充分釋放，熱處理時必須在真空爐中進行，當溫度降到370℃后，才允許空氣進入爐內完成最后的冷卻。這種處理方法會使鈦合金有良好的結構穩定性，再提高溫度也不會對材料的性質有大的變化。根據上述理論，通過反復確認試驗，調整熱處理工藝參數，形成完全滿足零件加工要求的熱處理工藝和過程控制方法。

（4）高效切削應用。鈦合金材料切削速度達到1 200 m/min時進入高效切削領域，其特點有：①工作溫度小，可減少熱變形；②切削力低，特別適合加工薄壁類剛性差的工件；③材料切除率高，加工表面質量好。采用PCD刀具，半精車、精車時，切削用量選取：切削速度為180 m/min，進給速度為0.02 mm/r，切削深度為0.08～0.12 mm。

▲圖3 夾具示意圖

▲圖4 夾具示意圖

（5） 制齒刀具的改進。薄壁圓環狀齒坯剛性差，制齒時極易變形，容易引起齒輪齒形公差、齒向公差的超差。根據鈦合金材料的切削性能特點，滾齒時切削速度低，摩擦力大，因此滾刀前角、后角要大，材料要有足夠的耐磨性且有高的紅硬性。按零件材料性能及精度要求，對滾刀設計改進：①選擇最佳滾齒設備，使用外徑大的滾刀，以減小分度圓螺旋升角，減小齒形誤差。增加容屑槽數量，改善齒形精度及滾刀耐用度；②采用正前角滾刀，滾刀前角由3°增加到9°；增大滾刀鏟磨量，增大滾刀后角，由6°增大到12°，使切削刃鋒利，減小加工回彈量及滾齒摩擦力，減小制齒變形；③采用螺旋槽形式，減小滾刀齒形誤差；④采用涂層技術，降低摩擦因數和黏度，消除黏屑，提高滾刀耐用度。

5 結束語

通過優化調整加工工藝，設計必要的專用工裝，消除了加工過程中的零件變形，掌握了鈦合金高精度薄壁圓環狀齒輪的加工方法，形成穩定加工該類零件的典型工藝方案及可靠措施，解決了鈦合金高精度薄壁圓環狀零件加工變形難題，滿足了產品技術要求。

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