鈦合金高精度薄壁零件加工方法分析

姜雨昂

摘 要：薄壁零件在加工的過程中非常棘手，究其原因，主要是薄壁零件的強度比較低，在進行加工的過程中，往往會出現(xiàn)一定程度的變形，無法有效地控制零件的加工質(zhì)量。所以當(dāng)前如何保證薄壁零件的加工精度逐步成為人們重點關(guān)注的問題。

關(guān)鍵詞：高精度薄壁零件;鈦合金;加工;裝夾

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0072-02

1 薄壁零件的概述

1.1 薄壁零件的定義

如果零件的結(jié)構(gòu)尺寸和曲率半徑和厚度之比超過20時，我們叫這種零件為薄壁零件。薄壁零件的特點非常突出，一般情況下結(jié)構(gòu)尺寸遠遠超過其厚度，呈現(xiàn)平板形或者圓環(huán)形。薄壁零件的組成材料一般有塑料、一些復(fù)合合金以及鈦合金。各種材料所加工的薄壁零件由于其材料特性的不同，應(yīng)用于不同的場合，可以符合各種各樣的市場需求。

1.2 薄壁零件的應(yīng)用現(xiàn)狀

薄壁零件在當(dāng)前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，具有結(jié)構(gòu)緊湊，而且自身重量輕等諸多優(yōu)點。隨著技術(shù)水平的逐步提高，在后期會逐步應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中。然而，從加工方法和加工工藝的角度進行分析，由于薄壁零件自身剛度相對較低，因此在加工工件的時候很容易出現(xiàn)變形，這也是導(dǎo)致薄壁零件無法大規(guī)模進行應(yīng)用的一個重要原因，尤其是使用傳統(tǒng)方法進行加工的時候，成品率較低。

1.3 薄壁零件的加工方法改進的趨勢

本文主要分析鈦合金薄壁零件的高精度加工技術(shù)。薄壁零件通常使用的是加強筋，這也是薄壁零件質(zhì)量輕的重要原因。在進行薄壁零件制造的過程中，各種規(guī)格不同、用途不同，零件的形狀各異，然而薄壁零件在加工的過程中，由于其自身特性，加工難度較大，而且因為薄壁的剛度相對較低，在加工時，容易出現(xiàn)扭曲變形等問題，造成薄壁零件的成品率不高，由此可見，在分析薄壁零件加工工藝和技術(shù)的過程中，合理的進行工藝優(yōu)化，加強創(chuàng)新，保證保密零件的良品率是非常重要的，是加快薄壁零件加工行業(yè)快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2 對鈦合金高精度薄壁零件加工精度產(chǎn)生影響的因素分析

在進行薄壁零件加工的時候，對鈦合金高強度薄壁零件加工精度產(chǎn)生影響的因素多種多樣，通常而言，所使用的機床、加工的刀具以及工件的自身屬性都會影響薄壁零件的加工精度，比如說如果工件自身的剛度無法達到要求，在加工的時候很有可能產(chǎn)生形變等問題，造成精度出現(xiàn)一定的損失，因此在加工的時候一定要注意有效的控制工件產(chǎn)生形變的問題，讓薄壁零件加工的精度進一步提高。

2.1 加工過程中切削力和切削熱影響零件，產(chǎn)生變形

加工薄壁零件的過程中，其工藝參數(shù)對薄壁的加工精度有著直接的影響。因為鈦合金薄壁零件具有較低的彈性模量。在將零件表面加工完成之后，很容易出現(xiàn)較大的回調(diào)，這樣會造成刀具的后刀面和加工表面的面積進一步增大，直接影響保密零件的加工質(zhì)量和加工精度，另外會導(dǎo)致刀具在使用的過程中大幅度的磨損，影響其耐用性。與此同時，在加工的過程中，如果切削力比較大，很容易達到或者超過材料的彈性極限，最終會造成零件出現(xiàn)塑性形變，另外切削熱也是對零件加工質(zhì)量產(chǎn)生影響的重要原因。切削熱主要是因為切削過程中切屑和零件表面出現(xiàn)摩擦而導(dǎo)致的，如果加工的過程中切削弱較大，可能會造成工件表面的溫度受到影響，導(dǎo)致零件的形變情況大幅度增加。在加工的過程中無法保證零件的加工精度，另外也會導(dǎo)致零件的表面質(zhì)量出現(xiàn)較大的影響。

2.2 裝夾過程中出現(xiàn)的問題對零件變形的影響

在薄壁零件加工的過程中，裝夾部分是非常重要的，裝夾工藝的好壞對薄壁零件的加工精度以及加工質(zhì)量起著決定性的作用。在薄壁零件加工的過程中一定要控制夾緊力、夾緊點的位置以及加緊方案。如果夾緊力或者夾緊位置不合適，無法達到要求，很容易造成零件產(chǎn)生扭曲形變等情況，對零件的加工精度產(chǎn)生一定程度的影響。尤其是使用機床加工薄壁零件的過程中，一定要重視裝夾工藝，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于裝夾工藝的影響而導(dǎo)致加工出現(xiàn)誤差的薄壁零件達到廢品率的1/3～1/2。與此同時，在加工薄壁零件的時候，切屑力和夾緊力的波動效應(yīng)會出現(xiàn)耦合作用，造成零件內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力重新分布，這樣會直接影響零件的加工精度和質(zhì)量，因此一定要重視薄壁零件的裝夾工作，讓薄壁零件的裝夾工藝水平進一步提升，避免加工的時候出現(xiàn)零件扭曲形變等問題。

2.3 殘余應(yīng)力造成變形出現(xiàn)

具體分析薄壁零件的殘余應(yīng)力，主要可以分成兩種。首先是在薄壁零件形成時出現(xiàn)的初始殘余應(yīng)力。因為很多時候薄壁類零件是拼接合成產(chǎn)生的，在加工的時候會直接產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，另外是已加工表面的殘余應(yīng)力。在薄壁零件加工的過程中，很有可能將零件毛坯原有的應(yīng)力平衡打破，在此過程中零件內(nèi)部的應(yīng)力需要重新分布，會造成零件出現(xiàn)一定的變形。

3 如何優(yōu)化鈦合金高精度薄壁零件加工的工藝

3.1 加強工件的裝夾控制

因為薄壁零件相對較薄，剛度較低，這樣在抵抗彈性形變的過程中能力不強，因此在工件加工的時候，裝夾也會對工件的形變產(chǎn)生一定的影響，裝夾主要是對工件起固定的作用，通過裝夾來對工件進行定位，并且確保工件加工過程中不會隨意偏移，保證加工的穩(wěn)定性。如果裝夾位置不合理或者夾緊力較大或較小，都會影響加工過程中的精度，因此一定要對裝夾位置進行合理的選擇，控制裝夾位置呈對稱性，選擇裝夾力的過程中一定要與工件的剛度相結(jié)合，合理進行調(diào)整。如果當(dāng)工件的剛度較高，在應(yīng)用的過程中可以提高夾緊力，但是如果工件的剛度無法達到較高的要求，一定要合理的調(diào)整夾緊力，防止工件在加工的過程中產(chǎn)生形變，如圖1所示。

3.2 合理地設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)

設(shè)計薄壁零件的結(jié)構(gòu)時，不單單需要對零件的使用要求和性能進行分析，還需要了解這種結(jié)構(gòu)在加工時對工件的影響，工件結(jié)構(gòu)不同，所采取的加工方法也不同。為了確保薄壁零件加工過程中具有較高的精度，一定要合理的設(shè)計工件結(jié)構(gòu)。通常而言，鈦合金板材進行薄壁零件加工的過程中，需要保證具有較高的精度，零件的變形不單單會造成加工過程中良品率不高，裝配時產(chǎn)生困難，還有可能導(dǎo)致零件無法符合具體的應(yīng)用要求。為了防止工件加工時產(chǎn)生較大的形變，一定要對工件設(shè)計進行充分的考慮，首先在設(shè)計工件的過程中盡量呈對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以有效的控制內(nèi)力分布不均等問題，其次在設(shè)計薄板的過程中一定要控制薄板的厚度相同，在一些轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)角的地方，一定要注意加強熱處理，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中等情況，合理地對轉(zhuǎn)角進行設(shè)計。這樣可以讓工件的形變情況得到有效的控制。

3.3 重視工件的熱處理

工件在進行熱處理的時候，一般使用的是淬火以及人工時效處理來進行的。在熱處理的過程中，工件的溫度出現(xiàn)改變，工件內(nèi)部會出現(xiàn)一定的相變應(yīng)力和溫度應(yīng)力，這也是造成工件出現(xiàn)形變的一個原因。另外熱處理還不能對原有的機械性能產(chǎn)生改變，因此在對熱處理進行應(yīng)用的過程中需要考慮設(shè)置在初加工工作前。總之，一定要保證熱處理后，不會對工件產(chǎn)生影響，確保工件的機械性能，對工件熱處理產(chǎn)生的形變進行有效控制。

3.4 合理地使用切削液，控制加工工藝和方法

在工件加工的過程中一定要合理的對工藝進行安排，首先需要依照工件的結(jié)構(gòu)和性能的不同，對工序進行控制，尤其需要關(guān)注的問題在于一些容易出現(xiàn)形變的部位，需要適當(dāng)添加或減少工序來讓工件形變量減少。在工件粗加工的過程中，一定要預(yù)留一定的切削量。另外，加強工件的基準面定位，由于工件的逐步加工，需要時刻修正工件的基準面。因為加工的時候，工件的加工余量逐步減少，也會改變基準面。選擇切削液的過程中一定要重點考慮加工的刀具和加工的具體性質(zhì)，依照工藝的要求以及刀具的使用，合理的選擇切削液，讓工件加工過程中的效率大幅度提高。

3.5 消除薄壁件的殘余應(yīng)力

薄壁零件的初始殘余應(yīng)力主要是因為毛坯受熱而產(chǎn)生的。在加工的過程中。薄壁零件的殘余應(yīng)力會逐步反映出來，因此一定要重點研究殘余應(yīng)力的變化情況，對殘余應(yīng)力的影響進行分析，并且判斷和總結(jié)如何采取合理的方式進行加工，讓殘余應(yīng)力消除，減少對工件出現(xiàn)的影響。盡管薄壁零件的殘余應(yīng)力來源已經(jīng)非常明確，但是依然無法確定加工過程中殘余應(yīng)力對薄壁零件的影響。由于薄壁零件的殘余應(yīng)力，主要是因為機械因素和熱因素共同影響而產(chǎn)生的，所以在控制殘余應(yīng)力的過程中，相關(guān)人員采取和很多方法進行使用。當(dāng)前較為流行的有限元分析方法，這種方法在應(yīng)用的過程中可以形成完善的薄壁零件有限元模型，具有很強的運算能力，通過數(shù)據(jù)分析等方式預(yù)測殘余應(yīng)力的影響。這種方法具有很大的實用價值，在使用的過程中，不單單可以對薄壁零件變形矯正的結(jié)果進行預(yù)測，還能夠依照具體情況對回彈進行預(yù)測。當(dāng)前將工件毛坯殘余消除的方式主要有深冷處理、退火等方法。在這些方法當(dāng)中，深冷處理應(yīng)用最為廣泛，深冷處理可以將薄壁零件的殘余應(yīng)力有效的減少。另外在處理的過程中可以讓零件的強度剛度等大幅度提高，確保零件具有較強的耐磨性，與此同時，深冷處理的過程中還可以改善零件原有的內(nèi)應(yīng)力分布情況，讓加工殘余應(yīng)力影響零件變形的情況得到大幅度的控制。

4 結(jié)語

在薄壁零件加工過程中，形變的原因多種多樣，一定要對這些因素進行重點分析，找出主次，及時有效的控制一些關(guān)鍵性的影響因素，對薄壁零件的加工工藝進行改善和優(yōu)化。本文主要對薄壁零件加工工件出現(xiàn)變形的原因進行分析，并且對薄壁零件加工過程中出現(xiàn)形變的控制方法進行闡述，改進傳統(tǒng)的加工方式對薄壁零件進行加工，可以在一定程度上讓工件形變的情況得到控制，確保產(chǎn)品的良品率和穩(wěn)定性。然而需要對各種影響因素進行充分的考慮，合理的對有限元分析進行使用，通過先進的技術(shù)方法控制和預(yù)測薄壁零件的變形情況，讓薄壁零件的加工質(zhì)量和加工精度大幅度提高。

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