大型鈦合金精鑄件數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用

劉霄霄 李明 萬軍 高連勇

摘要：現(xiàn)階段鈦合金材料逐漸成為主要的大型精鑄件原材料，為了有效解決鈦合金材料的大型精鑄件，在數(shù)控加工過程中存在的工藝流程繁亂、加工變形問題難以控制、鑄件局部剛性較差以及局部特征的加工難度大等實際生產(chǎn)問題，就必須分別從余量檢測、定位方式、工藝裝備等方面進行研究，并設(shè)計針對性的優(yōu)化策略，完善鈦合金鑄件的數(shù)控加工機制。

Abstract： At this stage， titanium alloy materials have gradually become the main raw materials of large-scale precision castings. In order to effectively solve the practical production problems existing in the NC machining process， such as complicated process flow， difficult to control machining deformation， poor local rigidity of castings and difficult machining of local characteristics， it is necessary to start from residual detection The positioning mode and process equipment are studied， and the targeted optimization strategy is designed to improve the NC machining mechanism of titanium alloy castings.

關(guān)鍵詞：應(yīng)用分析;技術(shù)研究;數(shù)控加工;鈦合金

Key words： application analysis;technical research;NC machining;titanium alloy

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0048-03

0 ?引言

在工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)控技術(shù)逐漸應(yīng)用于機械模具制造的過程中，不僅使得我國工業(yè)的實際生產(chǎn)效率大大提高，還有效降低了工業(yè)生產(chǎn)成本，同時還保證了機械產(chǎn)品的整體質(zhì)量。數(shù)控加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的廣泛運用，使工業(yè)企業(yè)的發(fā)展速度得到了明顯的加快，其可獲取的經(jīng)濟效益更是直線提高。在此背景下，鈦合金材料本身具備機械性能好、基本強度高以及耐腐蝕性強等等特點，因此，被廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)過程中。鈦合金鑄件不僅能夠繼承鈦合金材料的諸多優(yōu)勢，同時還可以容易且有效的使大型的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型，從而提高原材料的利用率，有效減少機械加工工作量，在一定程度上優(yōu)化生產(chǎn)周期，降低數(shù)控加工成本。

1 ?鈦合金精鑄件的應(yīng)用分析

1.1 鈦合金精鑄件的加工特性分析

在經(jīng)濟實力不斷增長的背景下，我國的綜合發(fā)展能力在不斷的提高，其中工業(yè)化程度在不斷加深。在工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的過程中，以機械模具行業(yè)為主的現(xiàn)代工業(yè)正在如火如荼的開展著，數(shù)控加工技術(shù)等工業(yè)技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，使得社會市場對于數(shù)控加工的工作效率以及工作質(zhì)量提出了更高的要求。由于鈦合金精鑄件的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，再加上存在局部剛性弱等問題，使得大型鈦合金精鑄件的生產(chǎn)加工過程中需要協(xié)調(diào)的關(guān)系較多且比較復(fù)雜，對于鑄件的變形控制難度比較大，因此在數(shù)控加工方面對于加工過程的控制需求以及工藝方案的完善程度要求都非常高，具體體現(xiàn)在以下三點：首先是在數(shù)控加工過程當(dāng)中需要定位的工序較多，因此會出現(xiàn)重復(fù)定位問題，并且數(shù)控加工時的裝夾工作較難;其次則是材料去除量以及鑄件局部余量不夠均勻，比如在數(shù)控加工過程中容易出現(xiàn)加工振動以及切割變形問題;最后則是大型鈦合金精鑄件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，數(shù)控加工的流程比較長?，F(xiàn)階段我國工業(yè)以及開始廣泛的使用精鑄件加工技術(shù)，基本滿足經(jīng)濟建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和需求。然而因為數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用的工藝方案存在鉗工打磨量比較多、工藝流程相對比較繁瑣、人工干預(yù)因素繁多等等問題，嚴(yán)重影響了鈦合金精鑄件的加工效率以及加工質(zhì)量。

1.2 大型鈦合金精鑄件的零件特點

第一方面是大型鈦合金精鑄件在零件結(jié)構(gòu)方面的特點，大型的鈦合金精鑄件一般為整體框架類型的零件，如圖1所示，Z向凈高通常處于650mm以上，并且構(gòu)件內(nèi)部能夠有效支撐的面積較小，部件局部的剛性比較差;鑄件表面的薄壁結(jié)構(gòu)相對比較多，并且大部分的筋緣條厚度都處于2-3mm，可加工性能相對較差;鈦合金精鑄件一般還會有四個直徑臺階的焦點孔和深槽腔耳片等等數(shù)控加工難度非常大的結(jié)構(gòu)，同時槽寬、同軸度和孔徑等的施工精度要求也非常高。

第二方面是鑄件的毛坯特點，雖然現(xiàn)階段鈦合金精鑄件的毛坯尺寸已經(jīng)基本固定，但是因為在鈦合金鑄件鍛造的過程中很難控制精度誤差，因此在后續(xù)的數(shù)控加工過程中還容易出現(xiàn)以下兩方面問題：一方面是非加工面和加工面很難實現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)，容易在加工過程中出現(xiàn)加工臺階問題，大幅度加重了鉗工打磨工作的實際工作量;另一方面則會加重鑄件加工余量不均勻的問題，導(dǎo)致數(shù)控加工操作時很容易出現(xiàn)鑄件的嚴(yán)重變形問題。

第三方面是零件的變形特點分析，如果鈦合金大型精鑄件受到的應(yīng)力分布不均勻，就很容易導(dǎo)致鈦合金鑄件出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問題。由于大型鈦合金精鑄件大多數(shù)為半封閉式框架型結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)部的有力支撐較少，精鑄件后端面也會呈現(xiàn)出敞開式的結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)的剛性較差，并且沒有加強工藝筋條結(jié)構(gòu)，從而在加工過程中容易出現(xiàn)開口端護張、高度方向錯位以及型面彎曲等變形問題，主要的變形因素包括局部材料的去除量過大，內(nèi)應(yīng)力的釋放不夠均勻;毛坯鑄造成型之后，精鑄件的組織結(jié)構(gòu)分布不夠均勻，導(dǎo)致熱應(yīng)力釋放不夠均衡的問題。

1.3 鈦合金精鑄件鑄造技術(shù)的發(fā)展歷程

在不同時期，鈦合金精鑄件的鍛造技術(shù)和質(zhì)量控制工藝都具備不同的特點，并且在不斷的完善和優(yōu)化，不同工藝時期分別對應(yīng)以下幾項技術(shù)：

首先是普通鑄件技術(shù)。在鈦合金精鑄件技術(shù)應(yīng)用初期，該工藝主要用于生產(chǎn)中等尺寸且形狀比較簡單的中型普通精鑄件。這一類型的精鑄件大部分尺寸都在500mm以內(nèi)，并且外形大多為棒狀、盤狀、平面狀或者環(huán)狀等等，且壁厚大部分處于6-10mm的范圍之內(nèi)，比如植入到人體當(dāng)中的假肢、發(fā)動機的葉片和壓桿等結(jié)構(gòu)。因為不存在深溝、槽和筋等較為復(fù)雜的工藝結(jié)構(gòu)，因此在澆注時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較小，補縮比較充足，并且這一類鑄件的成形工藝相對比較簡單，因此成形質(zhì)量可以始終保持在較為優(yōu)質(zhì)的狀態(tài)。

其次是較為大型的薄壁式復(fù)雜鑄件，該鑄件是為了滿足航空航天行業(yè)的實際應(yīng)用需求而不斷發(fā)展起來的一種鑄件類型，隨著航天航空領(lǐng)域的逐漸火熱，該類型鑄件成形技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為了各大型研究機構(gòu)的重點研究對象。大型薄壁式復(fù)雜鑄件尺寸大多被嚴(yán)格控制在500-1000mm，壁厚為1-3mm，并且本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成型難度非常大。

最后則是超大型的整體成形鑄件?，F(xiàn)階段在國外較為發(fā)達的國家，超大型的鈦合金整體成形精鑄件的鍛造技術(shù)已經(jīng)完全成熟，然而在我國卻依然處于剛剛起步的狀態(tài)，此類鑄件在質(zhì)量和性能等各方面都無法與其他鑄件相比較。此類型的鑄件尺寸大多在1500mm以上，壁厚的最小值在1mm左右，而質(zhì)量大多處于50-1000kg左右。這種類型的鑄件往往被用于代替大量緊固件和零件裝配形成的結(jié)構(gòu)，從而全面提升鑄件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度，并且顯著的減少成本，加快生產(chǎn)速度。對于超大型整體成形鑄件的研究和技術(shù)應(yīng)用，是現(xiàn)階段我國鈦合金精鑄件鍛造技術(shù)的研究難點，也是未來的研究重點。

2 ?大型鈦合金精鑄件的數(shù)控加工技術(shù)方案分析

在系統(tǒng)分析大型的鈦合金精鑄件的零件結(jié)構(gòu)特征以及實際加工難點的基礎(chǔ)上，針對性的制定數(shù)控加工技術(shù)方案，其中包括裝夾、快速定位、變形控制以及尺寸精度的控制幾個主要環(huán)節(jié)：

第一是裝夾技術(shù)的應(yīng)用方案。由于大型鈦合金精鑄件結(jié)構(gòu)的上半部分大多處于自由狀態(tài)，如圖2所示，因此鑄件兩端的開口以及中間的大型孔洞等部位，其剛性都比較弱。通常情況下，在加工過程中容易出現(xiàn)振動問題，對數(shù)控加工的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。面對該問題，可以選擇在數(shù)控加工平臺上額外增設(shè)三套能夠調(diào)節(jié)的可支撐工裝，有效增強鈦合金精鑄件需要數(shù)控加工部分的實際剛度，從而保證精鑄件進行數(shù)控加工時表面的質(zhì)量和性能基礎(chǔ)。

第二是快速定位方法?？焖俣ㄎ还ぷ魇窃诩庸て脚_的工裝部位設(shè)置固定定位銷裝置，并且在鑄件加工的技術(shù)凸臺相應(yīng)位置設(shè)置位孔結(jié)構(gòu)，保證孔軸間隙可以呼應(yīng)，從而在數(shù)控加工過程中實現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的定位。與此同時，在工裝原點端的定位插銷需要設(shè)計為圓柱形，遠(yuǎn)端定位銷則需要設(shè)計為六邊形，從而在更好固定精鑄件的基礎(chǔ)上為鑄件的加工變形留出額外的余量，為后續(xù)的裝夾操作打下基礎(chǔ)。

第三是變形控制處理。首先是切削刀具以及相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化，在精鑄件的切削加工時，切削力是對精鑄件處理質(zhì)量影響最大的因素之一。切削力大小在很大程度上決定了鈦合金精鑄件的切削熱和加工變形問題，甚至還會影響切削加工的實際效率。因此在切削工作開展過程中，通常會選擇刃口鋒利或者前角比較大的鋒利刀具，并且會采用小切深切分層加工的方法，從而降低數(shù)控加工過程中，鈦合金精鑄件出現(xiàn)變形問題的概率。其次則是無應(yīng)力修面的實現(xiàn)，在各類加工應(yīng)力的影響下，鈦合金精鑄件會出現(xiàn)一定的變形問題，在此情況下，就需要采用無應(yīng)力裝夾以及無應(yīng)力修面等方法，減弱鑄件的變形情況。在大型鈦合金精鑄件處于自由狀態(tài)下，利用銅墊片等構(gòu)件墊實定位凸臺的底面，確保壓緊操作時零件無應(yīng)力裝夾，并且定位凸臺不會出現(xiàn)變形問題，從而達到消除加工過程中裝夾應(yīng)力以及鑄件變形問題的出現(xiàn)。

第四是尺寸精度的控制方案。在數(shù)控加工工作開始之前，需要全面測量加工面和非加工面，從而便于后續(xù)變形量和加工余量的檢查工作，并通過檢查結(jié)果確定數(shù)控程序的加工余量。在實際的數(shù)控加工過程中，由于大型鈦合金精鑄件的薄壁結(jié)構(gòu)存在明顯的讓刀問題，因此精鑄件的數(shù)控加工精度很容易受到不良影響，最終導(dǎo)致精鑄件出現(xiàn)局部余量不均勻以及尺寸差異較大等問題。

最后從總體的工藝流程角度分析，傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)流程一般包括25道技術(shù)工序，其中存在較多次的基準(zhǔn)校對、余量檢查、裝夾操作以及鉗工打磨等復(fù)雜的工序，零件的周轉(zhuǎn)次數(shù)過多，但是加工效率卻較為低下。在電子信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，數(shù)控加工技術(shù)在優(yōu)化創(chuàng)新過程中逐漸結(jié)合先進的技術(shù)方法、工藝設(shè)備以及數(shù)控設(shè)備，并且在原有的技術(shù)流程上進行優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)控加工僅僅只有12道流程。因此從尺寸精度控制、變形控制處理、快速定位以及裝夾操作的角度分析，可以建立完備且高質(zhì)量的數(shù)控加工方案，從而保障大型鈦合金精鑄件的數(shù)控加工效果。

3 ?優(yōu)化大型鈦合金精鑄件數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用效果的策略

3.1 全面改良數(shù)控加工技術(shù)，提高其應(yīng)用性

伴隨著我國工業(yè)水平的全面提高，工業(yè)市場的市場競爭也變得逐漸激烈起來。工業(yè)企業(yè)想要在激烈的市場競爭中處于有利的地位，維持自身的市場地位，獲得更高的社會效益和經(jīng)濟效益，就需要在進行生產(chǎn)優(yōu)化改革的同時，全面且深入研究并工業(yè)市場整體的發(fā)展趨勢，對數(shù)控加工技術(shù)進行相應(yīng)的改良，保證數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用能夠切實起到促進企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的作用。為了對數(shù)控加工技術(shù)進行以應(yīng)用性為主的全面改良，就需要工業(yè)企業(yè)重視起數(shù)控加工技術(shù)改良的重要性，加大對于數(shù)控加工技術(shù)研發(fā)的投資力度，從而保證數(shù)控加工技術(shù)的改良可以取得相應(yīng)的效果。企業(yè)做到了對數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用性改良，可以最大程度的提高鈦合金精鑄件生產(chǎn)質(zhì)量，同時還能夠在節(jié)省成本的基礎(chǔ)上加快生產(chǎn)效率，而且隨著企業(yè)對于數(shù)控加工技術(shù)的不斷優(yōu)化和改進，還能夠在提高數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用程度的同時，解決數(shù)控加工技術(shù)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和難點，從而進一步實現(xiàn)一些更為大型且復(fù)雜的鈦合金精鑄件的生產(chǎn)加工。

3.2 選擇最為合適的機床，保證數(shù)控加工的質(zhì)量

構(gòu)建大型鈦合金精鑄件的數(shù)控加工生產(chǎn)線時，有很多可以選擇的機床種類，其中電火花加工機床和銑加工機床是應(yīng)用范圍最廣的類型。為了保證生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少后續(xù)調(diào)整和維修的次數(shù)，就需要充分重視起數(shù)控機床的選擇。由于大型的鈦合金精鑄件本身類型較多，并且鑄件結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，加工難度較大。因此不同類型的鈦合金精鑄件對應(yīng)的生產(chǎn)流程也具有較大的差異，為了在實際的生產(chǎn)過程中能夠準(zhǔn)確、高質(zhì)量的生產(chǎn)鈦合金精鑄件，也為了在完成實際生產(chǎn)需求的同時盡可能的對生產(chǎn)成本進行壓縮，就需要對所要生產(chǎn)的大型鈦合金精鑄件類型進行全面的分類，保證實際生產(chǎn)效果。由于對鈦合金精鑄件進行了類型劃分，因此在設(shè)計生產(chǎn)線時也需要選擇相應(yīng)的數(shù)控機床。只有選擇了最為合適的數(shù)控機床，才能夠保證數(shù)控加工工序能夠順利且穩(wěn)定的開展，從而保證大型鈦合金精鑄件的實際生產(chǎn)效率和基本的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.3 提升鈦合金精鑄件的加工精度，從而有效提高加工質(zhì)量

傳統(tǒng)的精鑄件加工方法，在實際的生產(chǎn)實踐過程中逐漸暴露出了其存在的問題和不足。傳統(tǒng)的精鑄件加工方法，耗費的加工生產(chǎn)時間較長，但是獲得的精鑄件成品往往質(zhì)量情況十分不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)大量的低質(zhì)量產(chǎn)品，浪費大量的原料資源。而且由于制作工藝的限制，得到的鑄件成品還存在不夠精細(xì)的缺點，不能滿足精鑄件的加工需求。在如今人們對于工業(yè)生產(chǎn)的要求逐漸提高的背景下，傳統(tǒng)的精鑄件加工工藝根本無法滿足生產(chǎn)需求，導(dǎo)致精鑄件生產(chǎn)企業(yè)的整體發(fā)展受到嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致其無法有效使用鈦合金等原材料，導(dǎo)致其市場競爭能力進一步減弱。在科學(xué)技術(shù)廣泛運用到各行各業(yè)的過程中，數(shù)控加工技術(shù)在大型鈦合金精鑄件加工方面的應(yīng)用，取得了很好的效果，隨著數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用的深入，傳統(tǒng)的精鑄件加工工藝逐漸被淘汰。在工業(yè)市場創(chuàng)新的同時，為了保證數(shù)控加工技術(shù)具備足夠的市場活力，也需要對數(shù)控加工技術(shù)進行優(yōu)化改革，其中對于鈦合金精鑄件加工質(zhì)量和精確度的提高，是數(shù)控加工技術(shù)創(chuàng)新所面對的主要挑戰(zhàn)。大型鈦合金精鑄件成品的精細(xì)程度和質(zhì)量，是生產(chǎn)加工技術(shù)好壞的直接體現(xiàn)，只有重視起生產(chǎn)成品的質(zhì)量和精細(xì)程度，從而針對性的優(yōu)化數(shù)控加工技術(shù)，才能真正實現(xiàn)工業(yè)行業(yè)的整體進步。

3.4 深度優(yōu)化精鑄件生產(chǎn)線，強化數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用效果

對數(shù)控加工生產(chǎn)線進行深度的優(yōu)化，是保證數(shù)控加工生產(chǎn)線生產(chǎn)加工效率，強化數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用效果的直接方法。由于數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用效果很大程度上受到數(shù)控加工技術(shù)編程水平的影響，所以想要對數(shù)控加工生產(chǎn)線進行深度優(yōu)化，提高大型鈦合金鑄件的加工質(zhì)量，就需要編程人員根據(jù)實際需求，對數(shù)控編程程序進行針對性的修改和調(diào)整。編程人員需要充分考慮到加工順序、加工時間和加工質(zhì)量這三個主要的因素，使整個生產(chǎn)線都按照相關(guān)的指令要求完成生產(chǎn)加工工作，從而切實提高數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用效果，完善大型鈦合金鑄件的生產(chǎn)加工流程。

4 ?結(jié)束語

從整體而言，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用促進了我國工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，而我國工業(yè)整體水平的不斷提升，也對數(shù)控技術(shù)的進一步優(yōu)化提出了更為嚴(yán)格的要求。我國一直以來都是機械制造領(lǐng)域的強國，在現(xiàn)代的加工制造領(lǐng)域，想要在保證成品質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效率的發(fā)展，就需要對數(shù)控加工技術(shù)進行充分的應(yīng)用。相關(guān)的工業(yè)企業(yè)要適當(dāng)?shù)募訌妼τ跀?shù)控加工技術(shù)的研究力度，全面提高整個企業(yè)對于數(shù)控加工技術(shù)的認(rèn)知，實現(xiàn)技術(shù)能力的全面提高。與此同時，工業(yè)企業(yè)還需要對生產(chǎn)原材料進行深入的研究，尤其需要重視鈦合金材料的加工流程研究力度，盡可能從根本上解決鈦合金大型精鑄件在生產(chǎn)過程中存在的變形問題難以控制、鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜和加工精度要求高等數(shù)控加工難點。

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