鈦合金機(jī)械手的制造工藝分析

馬先磊

（北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司，北京102600）

1 引言

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。比如航空、醫(yī)療、刀具等。但是鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)，生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜。

鈦合金是一種難加工材料，本公司研發(fā)的HLD-8多室鍍膜設(shè)備上用到了鈦合金機(jī)械手，該零件是此設(shè)備研制過程中的一個(gè)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)局限性大，精度要求高，加工困難。本文對(duì)鈦合金機(jī)械手的選材和結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行了分析，同時(shí)給出了合理的制造方案。

2 機(jī)械手的工作環(huán)境和技術(shù)要求

機(jī)械手是在超高真空環(huán)境下工作，工作溫度為350℃。進(jìn)出片室內(nèi)盛片架上一次要裝6個(gè)片盒（工件是盛在片盒中），加上室體空間的限制，片盒在盛片架上只有7mm間隙，而機(jī)械手自身厚度就有4mm，因此理論上機(jī)械手在裝片盒時(shí)上下只有3mm的移動(dòng)間隙，為了使機(jī)械手能準(zhǔn)確定位到片盒上，并順利帶走片盒，機(jī)械手上裝有四個(gè)圓錐銷，圓錐銷高出手面1.5mm，這樣機(jī)械手的上下可調(diào)距離就更小了。另外機(jī)械手要求在350℃烘烤下使用不得變形，而且材質(zhì)要輕。因此機(jī)械手整體精度要求較高，屬難加工件，機(jī)械手結(jié)構(gòu)見圖1。

3 機(jī)械手材料的選擇及結(jié)構(gòu)工藝性分析

機(jī)械手的工作條件是在超高真空室內(nèi)350℃烘烤狀態(tài)下傳輸片盒，因此材料要求高溫下不變形，而且有一定的強(qiáng)度，重量要輕，真空狀態(tài)下放氣少。我們選擇了鈦合金Ti-6Al-4V（TC4），此鈦合金應(yīng)用最為廣泛，比強(qiáng)度大，在室溫、高溫和低溫狀況下不僅具有良好的綜合力學(xué)性能，且在多種介質(zhì)中有優(yōu)異的耐蝕性，同時(shí)可焊接、冷熱成形［1］。

圖1 機(jī)械手

機(jī)械手設(shè)計(jì)圖見圖1，從圖中不難看出設(shè)計(jì)者的原意是用厚4mm的鈦合金板彎制而成。但鈦合金材料（TC4）比較硬，如果此鈦合金板冷彎成直角，彎形內(nèi)圓角不得小于 3倍的板厚［2］，即R≥12mm，彎形圓角與圖紙不符，且彎形后易反彈，平行度很難控制，經(jīng)與設(shè)計(jì)者商量，由于設(shè)計(jì)裝配空間的限制，彎形圓角不能放大；如果采用熱彎，我們公司沒有相應(yīng)的彎形條件。另外機(jī)械手表面質(zhì)量要求高：平面度高，表面粗糙度為Ra0.4，所以在制定機(jī)械加工工藝時(shí)，決定將原設(shè)計(jì)方案從工藝上進(jìn)行調(diào)整。

4 解決方案

圖2 機(jī)械手拼焊結(jié)構(gòu)圖

由于鈦合金（TC4）具有可焊接性，在加工此工件時(shí)就采用拼焊的方式對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，工藝調(diào)整后的焊接結(jié)構(gòu)見圖2；上面板和立板用的是4mm板料，左端的板厚是5mm。

根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際使用情況，對(duì)原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和平面度要求也進(jìn)行了調(diào)整，焊后加工圖見圖3。圖中A面為放片盒的貼合面，加工時(shí)只要140mm長度范圍內(nèi)平面度和平行度達(dá)到要求，B面為與機(jī)械臂裝夾貼合面，貼合長度為56mm，也就是說加工時(shí)只要56mm寬度范圍內(nèi)達(dá)到要求就可以了。

圖3 機(jī)械手焊后加工圖

5 加工基準(zhǔn)的選擇、裝夾方式及加工工藝

在基準(zhǔn)選擇過程中，設(shè)計(jì)、加工、裝配的基準(zhǔn)越統(tǒng)一（重合）越好，另外兩加工面也可互為基準(zhǔn)，以精加工后的大面為定位基準(zhǔn)來加工小面，精度會(huì)更高，所以在磨削加工時(shí)選擇A面作為B面的加工定位基準(zhǔn)。

由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會(huì)降低工件的加工精度；工件安裝時(shí)的夾緊力不宜過大，所以在磨削加工時(shí)做了輔助支撐。裝夾時(shí)將工件用四個(gè)螺釘固定在裝夾板上，平口虎鉗夾持裝夾板（見圖 4）。

圖4 磨削裝夾示意圖

機(jī)械手的加工工藝順序?yàn)椋合铝稀ハ鳌附印鷴伖狻鷷r(shí)效→調(diào)平→研磨→鉆削→磨削→線切割→檢驗(yàn)。

下料：采用線切割下料，由于材質(zhì)較硬，線切割下料板面基本不會(huì)變形，而且下料直接成形，省去后序加工四邊。

磨削：磨兩大面整體見光即可，盡量少磨，目的是得到較低的表面粗糙度和平面度。

焊接：采用鎢極氬弧焊焊接方法。

拋光：目的是將板材四周線切割面和焊縫處拋光，使其表面粗糙度與大面表面粗糙度基本一致。

時(shí)效：振動(dòng)時(shí)效處理，目的是去焊接應(yīng)力。

調(diào)平：焊后變形，板之間平行度和垂直度以及自身的平面度都要進(jìn)行調(diào)整。

研磨：在平臺(tái)上研磨A面，目的是得到較高的平面度，并為加工B面提供一個(gè)精基準(zhǔn)。

鉆削：在立式加工中心加工，鉆鉸四個(gè)銷孔，鉆擴(kuò)兩個(gè)裝夾孔。

磨削：以A面為基準(zhǔn)，將機(jī)械手固定在裝夾板上（裝夾板是經(jīng)過磨削加工的），用平口虎鉗夾持裝夾板，找平、找正裝夾板，并用四個(gè)小千斤頂和平板隔開頂持B面下方（保護(hù)B處底面不被劃傷），可參見圖4。然后磨B面，磨削寬度為56mm，保證尺寸43mm和平面度、平行度及表面粗糙度。

線切割：切割寬70mm的U形開口。

檢驗(yàn)：為了保證零件加工質(zhì)量，檢驗(yàn)自始至終貫穿整個(gè)加工過程。

6 結(jié)語

由于本廠現(xiàn)有加工條件的限制，所以此加工工藝過程中仍存在一些不足：

（1）手工研磨，效率低，人為因素大，表面質(zhì)量不穩(wěn)定。如果采用平面超精加工機(jī)研磨，得到的表面質(zhì)量會(huì)更好［3］。

（2）振動(dòng)時(shí)效處理只能去除1/3左右的焊接應(yīng)力，從長遠(yuǎn)看，為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，對(duì)機(jī)械手焊后要進(jìn)行真空熱處理，即真空退火去應(yīng)力處理，可徹底去除焊接應(yīng)力和材料應(yīng)力。

通過對(duì)鈦合金機(jī)械手的制造工藝分析，我們可以看出同樣的設(shè)計(jì)可以用不同的工藝方法來實(shí)現(xiàn)，只要善于思考，轉(zhuǎn)變思維，充分了解工件的實(shí)際使用情況，就可以在有限的條件下使難加工零件順利產(chǎn)成。

工藝是生產(chǎn)管理重要的組成部分，也是不可缺少的一部分，工藝必須嚴(yán)謹(jǐn)可靠、科學(xué)合理，才能起到正確指導(dǎo)生產(chǎn)的目的；而且工藝成本占生產(chǎn)成本比例大，其經(jīng)濟(jì)性影響生產(chǎn)成本。

［1］ 王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：302-305.

［2］ 曾正明.機(jī)械工程材料手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：844.

［3］ 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：310-311.