鈦合金薄壁筒形殼體加工技術研究

李玉亮，歐陽金棟，王再玉，姚盼盼

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

隨著國內(nèi)外航空工業(yè)的快速發(fā)展，被譽為“崛起的第三代金屬”——鈦合金以其良好的熱強性和高比強度，在高性能航空武器上獲得了廣泛的應用。但近些年來航空武器產(chǎn)品對輕量化的要求越來越嚴格，以致航空設計人員在進行產(chǎn)品結構設計時多采取等強度設計方法，對零件多采用薄壁甚至超薄設計，這對零件的加工技術提出了更高的要求。殼體類筒形零件是構成航空武器外部支撐結構的典型結構件之一，其結構復雜、工藝難度大、制造風險高且在飛行器結構中數(shù)量眾多，是影響型號研制進程的關鍵環(huán)節(jié)之一。

鈦合金薄壁筒形零件，因鈦合金材料具有較高的常溫及高溫強度，且材料熱導率為5～12，是合金鋼的1/7，鋁合金的1/6，導熱性差，切削時熱量集中在切削刃附近，刃區(qū)溫度極高，刀具磨損迅速，使薄壁零件加工尺寸控制更加困難，精密尺寸和技術條件難以滿足，加工后的零件超差甚至報廢較多，極大制約了零件的合格交付。

本文以典型的鈦合金薄壁筒形殼體構件為研究對象，基于零件的結構特征，結合鈦合金材料的切削特性，制定其加工工藝路線及裝夾方式，然后對零件加工變形結果進行分析，從優(yōu)化零件結構特征和改進加工工藝路線及裝夾方式對零件的加工變形采取更好的控制措施。

1 零件結構特征

薄壁筒形殼體結構特征如圖1 所示， 長度為L，外圓直徑為φD，內(nèi)圓直徑為φD-2.4，壁厚為1.2mm，屬于典型的筒形薄壁件；零件外圓上設計有5 處窗口及5 組高精度位置要求的孔系，內(nèi)部設計有多個方形安裝凸臺，安裝凸臺內(nèi)型面均為圓度曲面，且各安裝凸臺曲面同軸度要求較高，零件結構復雜；前后套接端面設計有32 個精度光孔， 以及同軸度和垂直度等高精度形位公差要求， 加工過程中薄壁殼體容易變形，加工難度極大。

圖1 薄壁零件示意圖

零件精度要求較高的尺寸如下：1） 壁厚1.2（-0.05，+0.05），U 型孔寬度 4（+0.02，+0.06），對稱度為0.04；2） 薄壁外圓及前后套接面孔系位置精度為φ0.2；3） 前后兩端面相對于內(nèi)圓軸心線的垂直度0.05mm；4）前后套接面尺寸公差為 φD-5（-0.15，-0.05）， 且 同 軸 度 為 φ0.1；5） 前 后 端 面 套 接 孔φ5.3H9；5）殼體外圓柱度為 φ0.2。

薄壁殼體成形材料選擇強度較高、重量輕的鈦合金鍛環(huán)TC4，熱處理狀態(tài)為退火M，該材料顯著優(yōu)點是：比強度高、高溫性能好、抗氧化。 在高溫400℃環(huán)境下仍可保持較高的抗拉強度和屈服強度。 但TC4屬于耐熱合金難加工材料，鈦合金的一些物理力學性能給切削加工帶來了較大難度。 TC4-M 鈦合金材料技術狀態(tài)及機械性能如表1 所示。

表1 TC4-M 鈦合金技術條件及機械性能

2 工藝設計及加工結果分析

2.1 工藝方案的制定

基于前面對該薄壁零件結構特征及成形材料分析的基礎上，初步制定零件加工工序如表2 所示。

加工過程中需注意以下事項：切削量大的部分先加工，尺寸精度及形位公差要求高的后加工；具有形位公差要求的尺寸盡量一次性加工，減少換裝帶來的加工偏差；裝夾定位時應注意對稱性，盡量降低零件的加工變形。

2.2 加工結果分析

在首件完成試制后，對零件依據(jù)技術要求進行了檢驗，大部分尺寸精度和形位公差均滿足要求，但部分存在超差情況，具體零件重要尺寸檢驗情況如表3所示。

表2 加工工藝路線

表3 零件檢驗計量情況

表3 計量結果顯示： 套接面尺寸公差及同軸度、外圓柱度均存在一定超差情況，這主要是由零件變形引起， 對比每步工序完成后的尺寸加工測量情況，主要加工變形發(fā)生在10 號、25 號和30 號，以及熱處理的安排不合理引起的零件加工變形，下面對產(chǎn)生變形的原因進行分析。

裝夾變形：在進行10 號、25 號和30 號的車削和鏜削加工時，在整個車鏜加工過程中，缺少合理的工裝，采用直接三爪+橡膠墊定位殼體加工，雖然橡膠具有一定的緩沖作用，但由于薄壁剛性差，夾緊力均勻性差，依然會引起殼體的加工變形。熱處理工藝安排：在整個薄壁零件的加工過程中只安排了一次人工時效去應力， 零件原材料厚度為15mm， 需要加工至1.2mm，整體切削量大，應增加熱處理工藝去除殘余應力，減小整體加工應力變形，零件的開口工序在最后完成，在完成30 號工序前沒有進行去應力工序，上一工序累積的加工應力在不對稱開口后釋放引起零件變形，因此在進行最后開口工序前應增加自然時效去除加工應力，以減小最后的零件加工變形。 零件結構特征：內(nèi)部具有32 個凸臺結構，所有凸臺需在內(nèi)部鏜孔后，采用動力頭進行行切，切削量大，加工費時，且切削應力很大，造成零件加工變形。

3 結構特征優(yōu)化及加工工藝改進

3.1 結構特征優(yōu)化

針對內(nèi)部凸臺較多，采用動力頭行切加工，因切削量及加工應力大帶來的加工周期長及變形大等問題，結合電阻點焊應力小的特點，將內(nèi)部所有凸臺結構優(yōu)化為電阻點焊結構形式， 在原凸臺兩側增加1mm 厚度耳片， 通過電阻點焊兩側耳片將凸臺與薄壁殼體連接為一個整體，優(yōu)化后具體結構形式如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后薄壁零件示意圖

零件結構優(yōu)化后，在凸臺焊接前，內(nèi)部結構為光滑的圓筒結構，可以采用車、鏜削工藝直接加工至殼體壁厚保留0.2mm 余量， 然后將所有內(nèi)部凸臺通過電阻點焊與殼體連接，焊接后采用人工時效去除焊接殘余應力，有效控制后續(xù)余量的加工變形。

3.2 加工工藝改進

合理選擇裝夾定位方式： 由于該零件為薄壁零件，剛性差，如果選用三爪卡盤外圓夾緊的裝夾方式，零件將受三個方向的徑向夾緊力，如圖3（a）所示，在粗加工階段可采用，而在精加工過程中會因夾緊力不均勻而變形，以致無法保證加工尺寸及形位公差。 通過深入分析零件裝夾方式及裝夾零件的受力方向，在精加工階段采取軸向定位夾緊，可以有效減小由于徑向受力而帶來的變形，如圖3（b）所示。 因此該薄壁零件精加工階段裝夾方式如下:加工外圓采用內(nèi)圓和端面定位、軸向壓緊的裝夾方式，加工內(nèi)圓采用內(nèi)圓端面定位，內(nèi)圓撐緊的裝夾方式，加工方法采用兩端加工法，即一端內(nèi)圓用于定位，加工另一端內(nèi)圓，再掉頭裝夾加工內(nèi)圓。

圖3 徑向定位裝夾和軸向定位裝夾示意圖

熱處理工序安排：在整體工藝路線安排中，熱處理的目的是消除零件的加工內(nèi)應力，以減少后續(xù)工序的加工變形，更好地保證零件質(zhì)量。 粗加工去除了大量的零件余量， 鈦合金表面產(chǎn)生不均勻的殘余應力，在粗加工階段后安排一次去應力時效。內(nèi)部凸臺在電阻點焊工序后，熱量存在分散不均勻性，也會產(chǎn)生部分殘余應力， 因此在電阻點焊后安排一道熱處理工序。 在最后零件的開口工序前，增加自然時效去除上一步工序的切削及裝夾內(nèi)應力，以減小最后的零件變形，控制尺寸精度。

加工余量及加工流程優(yōu)化：加工余量直接影響工序尺寸， 更重要的是關系到加工質(zhì)量及加工成本，切削余量大，刀具與零件摩擦產(chǎn)生的熱量多，會產(chǎn)生過多的殘余應力，引起零件變形，因此選取適合的切削用量對控制零件的變形也至關重要。結合薄壁殼體零件結構特點，加工余量主要在車削、鏜削加工完成，車削、鏜削過程的變形是影響加工質(zhì)量的主要問題。 在輪廓尺寸成型后，銑削加工去除開口及孔系余量。 在粗加工階段，為提高生產(chǎn)效率，要去除絕大部分余量，留有能夠修復尺寸余量即可；在半精加工階段，去除應力時效產(chǎn)生的變形余量，精修裝夾定位基準，次要表面完成了最終加工，留取適度余量；精加工階段要保證設計圖樣所有技術指標， 加工余量預留足夠即可。 優(yōu)化后的加工工藝路線如表4 所示。

表4 優(yōu)化后加工工藝路線

3.3 優(yōu)化后加工結果

基于結構特征優(yōu)化，采用改進加工工藝進行該鈦合金薄壁殼體的加工，經(jīng)檢測計量，所有尺寸及形位公差均滿足設計要求。

4 結 語

本文通過試驗研究了薄壁零件結構特征、裝夾方式及加工工藝流程對薄壁筒形殼體的加工變形影響，并依據(jù)試驗結果分析優(yōu)化了薄壁筒形殼體的結構形式，改進了零件加工裝夾方式及加工工藝流程，最后加工的零件尺寸及形位公差滿足設計要求，肯定了工藝方案的可行性和技術措施的有效性，可為其他薄壁筒形殼體的研制生產(chǎn)提供參考。