框架式鈦合金鑄件加工技術探析

孫念明+孫井泉

[摘 要]鈦在國民經(jīng)濟中僅次于鋼和鋁，可謂“第三金屬”。區(qū)別于一般金屬所制成的鑄件，鈦金屬或鈦合金所制成的鑄件在形態(tài)上與成品非常類似，明顯減少機加工量；同時，鈦合金鑄件具有鈦金屬、鈦合金所具有的耐高溫腐蝕，強度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，可以用于航空航天、醫(yī)療體育、能源化工等多個領域，甚至在軍用領域也有非常廣泛的應用。文章選擇機型為ZTC4的框架型鈦合金鑄件作為研究對象，對其加工技術、加工工藝進行探析。

[關鍵詞]鈦金屬；框架式；鈦合金；鑄件；加工技術；加工工藝

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.09.177

鈦合金是一種具有高性能的新型材料，與鋼相比，其質(zhì)量非常輕盈，與鋁相比，鈦合金具有高溫結構，這樣的性能使得鈦合金被廣泛應用于汽車、航空航天器或艦船的制造之中，甚至在軍用領域也占據(jù)了一席之地。我國近些年來在工業(yè)技術上迅速發(fā)展，金屬產(chǎn)品在制造上也向著“近凈成形”的方向不斷發(fā)展，優(yōu)于機械加工與鍛造的鑄造技術可以使金屬產(chǎn)品直接獲得“近凈成形”的構件。將鑄造技術與鈦合金聯(lián)合使用，可以提高鈦合金鑄件的抗蠕變性能與裂紋擴展能力，還可以節(jié)省鈦合金生產(chǎn)成本。因此，如何提高鈦合金鑄件的加工效果便成了目前急需解決的問題。

1 概 述

現(xiàn)階段，無論是國外還是國內(nèi)，所使用的鈦合金和鈦合金鑄件都是沿用于鈦合金與變形鈦的成分。對于變形鈦合金和鑄造鈦合金來說，其分類標準都是相同的。若以“相同組成”作為標準進行分組，可分為“β”型、“α”型、“近β”型、“近α”型以及“α+β”型五個類別的合金；若以“金屬強度即應用狀況”作為標準進行分組，可分為“中溫中強”型合金、“高溫高強”型合金、高強合金、低溫合金、生物工程合金以及耐腐蝕合金共六種類型的合金。

目前，我國最為常用的合金便是中溫中強合金ZTC4與ZTC7，其中ZTC4便是本文所要研究的框架式鈦合金鑄件的原材料。除此之外，還有ZTA2與Ti-0.2Pb這兩種使用率較高的耐腐蝕型鈦合金，Ti1100等高溫鈦合金、Ti153等高強β型鈦合金。2014年的一項調(diào)查結果顯示，在鈦合金鑄件中有90%以上使用ZTA2與ZTC4作為生產(chǎn)原材料。

2 框架式鈦合金鑄件

2.1 用途

以沈飛制造的某型飛機為例，其后機身部分是由2個大型鑄件與4個框架式結構所構成的骨架，其平尾與垂尾是一體的，將垂尾軸安裝在鑄件的垂尾孔中，并使機身垂直面和垂尾軸保持一定的角度，在運行垂尾軸時可以使其圍繞著垂尾軸線進行轉動。在這樣的裝配方案中，垂尾軸所有的應力均施加在鑄件之上，鑄件內(nèi)側與三個框架相連接，并使用高鎖螺栓進行連接。由此可見，鑄件是整個方案中最為關鍵的承力構件，其重要性不言而喻。

2.2 分析

2.2.1 毛料信息

無論是熔模鑄造的毛料還是砂型鑄造的毛料，其材料牌號均為退火狀態(tài)的ZTC4型鈦合金，零件的尺寸為1.37m×0.7m×0.7m，其凈質(zhì)量分別為0.11t和0.15t。

2.2.2 結構特征與加工難點

第一，零件本身具有相當復雜的結構，工藝性不佳，剛性差，很難具有穩(wěn)定的結構，在加工過程中極易出現(xiàn)變形問題。第二，加工關系復雜，缺乏協(xié)調(diào)性，需要多面配合，對于配合精度具有非常高的要求。第三，零件在尺寸精度與裝配精度上具有較高的要求，加工中難以保證零件具有足夠的尺寸精度與裝配精度。第四，作為理論外緣的上表面與下表面在鑄造過程中很難達到設計要求，外形極易出現(xiàn)較大的偏差，機加工時很難協(xié)調(diào)好位置余量。第五，零件尺寸為1.37m×0.7m×0.7m，鑄件壁厚度相對較薄，若使用一般方法進行加工將會帶來明顯的顫動，刀具容易斷裂，進而影響到加工位置的精度。第六，鑄件的垂尾孔直徑在19～22.8cm之間，孔長度為4.5cm，大小誤差應控制在（+0.05，-0.01）之間，若使用數(shù)控鏜孔技術可以達到尺寸要求，使用數(shù)控銑加工技術可以通過裝夾方式進行擺角加工，但是加工中對鏜刀總質(zhì)量的要求已經(jīng)超過了數(shù)控機床所具有的最大承拉重力——198N。第七，作動孔處的槽口尺寸應為：槽深0.15m、下刀深0.17m，就開敞性而言不甚理想。第八，上腹鰭孔與下腹鰭孔的孔徑應為18H8mm和22H8mm。在鑄造過程中很難控制好孔洞的位置，因此鑄件的腹鰭孔通常不具有底孔，這就使得鑄件缺少足夠的下刀空間，特別是下腹鰭孔，僅有0.12m×0.16m的下刀窗口，其位置甚至在腹鰭凸臺的背面。

2.3 加工與控制

2.3.1 明確加工基準

從前文所提供的信息可以推斷出如下結論：鑄件缺少直接加工的基準、零件易發(fā)生顫動、難以保證空間尺寸、槽口長且下刀空間小、難以協(xié)調(diào)加工余量、垂尾孔長等，均是影響加工方案實行效果的因素，對此，首先應該明確加工的基準，例如，鑄件缺少直接加工基準，數(shù)模中對鑄件某一面的加工要求是平面，但是當前的鑄造技術無法切實地保證其平面的平面度，無法將其作為加工基準，此時可以在鑄件的外部適當增加一個工藝凸臺作為工藝基準，基于這個工藝凸臺，鑄件在經(jīng)過鑄造加工之后便可以接受加工余量的調(diào)整。這種在設計數(shù)模的基礎上增加工藝凸臺的行為便可以稱之為“制造工藝數(shù)模”，這樣的工藝數(shù)?？梢宰鳛榧庸よT造乃至檢查的最初始的依據(jù)。

2.3.2 協(xié)調(diào)加工余量

若要協(xié)調(diào)加工余量，需要進行“鑄造廠劃線”與“機加廠協(xié)調(diào)”兩個階段的工作。在第一個階段，鑄造廠需要為鑄件協(xié)調(diào)好加工余量，使用兩點投影交叉法在鑄件上繪制上機加工的基準線，其坐標體系包括2X、Y和Z共三個方向。由于劃線無法保證每一個平面都有正好的機加工余量，無法確保壁厚達到設計要求，無法確保上表面與下表面處在較為均勻的狀態(tài)，因此需要機加廠進行下一階段的協(xié)調(diào)工作。而機加廠主要負責為鑄件分配工藝余量，鑒于鑄件的結構為典型的殼體，因此可以在每一個加工面進行單面加工。當然，也正是因為鑄件均為單面加工且加工面位于殼體的六個方向，因此鑄件很難實現(xiàn)加工余量的協(xié)調(diào)分配，增加設計的強度與流水性，因此需要適當進行整體余量的增加，但不可過度增加，以免增加鑄件的整體凈質(zhì)量。

2.3.3 嚴格控制工藝裝備要求

首先，需要考慮工種，如：①數(shù)控銑，使用自制銑夾方式；②垂尾孔加工：垂尾孔的長度最長為0.45m，最大直徑為0.23m，由于加工工具難以保證其剛性，因此應該選擇主軸直徑較小的機床進行加工，加工時保持孔位水平，作固定鏜夾加工。③對于殼內(nèi)部的腹鰭孔，應購買最大扭矩為70Nm的專用角度頭進行加工；針對腹鰭孔較小的下刀空間，可以使用鉆頭與鉸刀進行加工。

2.3.4 加工過程

框架式鈦合金鑄件的加工過程如下：①檢驗材料，查看其是否符合相關參數(shù)要求；②按照劃線進行零件調(diào)整；③銑基準鉆小孔并使用測量機進行測量；④分析數(shù)據(jù)，制定調(diào)整方案；⑤基于方案進行基準孔擴大，對銑基平臺進行校準；⑥數(shù)控粗精銑，檢查測量，再次裝夾并進行數(shù)控粗精銑，如此多次反復；⑦精修外形，清洗，測量，熱處理，并采取精鏜孔處理；⑧測量并進行套孔鉆擋、孔位測量；⑨銑掉工藝凸臺，給予清洗、熒光處理，排除裂紋，增加標識。

3 結 論

框架式鈦合金鑄件加工難度大、要求高，本文對其加工技術、加工要求、加工工藝進行了簡單介紹，以供參考。

參考文獻：

[1]王金海，張偉.框架式鈦合金鑄件加工技術探析[J].裝備制造技術，2012（3）.

[2]王金海，張偉，李晶磊.框架式鈦合金鑄件加工技術[J].工具技術，2012（5）.

[3]李義軍，朱明渝.大型薄壁復雜框架式結構鈦合金鑄件的研制[J].鑄造，2015（3）.