钛合金加工工艺技术研究

李富长,宋祖铭,杨典军

(南京机电液压工程研究中心,江苏南京211102)

摘 要:钛合金材料是目前较难加工的材料之一,因其热传导系数小、比热低、化学性能活泼等特点,给机械加工带来一定的难度。本文通过某产品钛合金摇臂的工艺性及工艺难点分析,并通过工装、刀具、冷却液、切削参数等方面分析和选择,总结出钛合金加工的普遍原则。

关键词:钛合金加工;加工难点;加工方法

中图分类号:T G146.23 文献标志码:B

Research on Titanium Alloy Machining Technology

LI F uchang,SON G Zuming,Y A NG Dianjun

(N anjing Engineer ing Institute of A ir craft Systems,Nanjing211102,China) Abstract:T itanium allo y material is hard to pr ocess.T he machining of titanium alloy mater ial is quite challenging due to its small ther mal co nductivit y,low specific heat and active chemical propert y features,etc.T his ar ticle analyzes the manu facturability and technical challenges w hen machining titanium allo y rocker arm fo r so me aviation pro ducts,and then sum mar izes the g ener al principles fo r titanium alloy machining based on analysis and selection of too l,fixtur es,co olant,cutting par ameters,etc.

Key words:T itanium alloy machining,M achining challenges,M achining metho ds

钛合金以其质量轻、强度高、力学性能及抗蚀性能良好而成为飞机及发动机理想的制造材料,特别是未来新型战机将大量使用钛合金,这有助于提高飞机的耐热性、减轻机体质量、增大机体强度。但由于钛合金材料导热系数低、塑性低、硬度高、弹性模量低、弹性变形大等特点,造成钛合金材料切削加工性差,长期以来在很大程度上制约了它的应用。

本文通过介绍某型号方向舵机中输出摇臂的机械加工,通过工艺难点分析、工装、刀具、冷却液的选择等几方面对钛合金加工进行阐述,为今后钛合金材料零件的加工提供借鉴。

1 工艺性分析

该零件为某型号方向舵机中输出摇臂(零件示意图见图1),该零件主要加工特性有:1)零件为模锻件,材料为T C6;2)零件外形复杂,不规则;3)内部加工难点是一处内孔 18+0.02

0mm,长120 0.05

mm,为基准孔;4)4处不连续的 10+0.016

0mm孔,最长孔70mm;5)1处 6+0.013

0mm,长60mm的不连续孔,内孔表面粗糙度为0.8 m,各孔同轴度允差 0.04mm,相对基准A平行度允差 0.05m m。

由于钛合金材料强度高,导热系数低,因此在切削加工过程中,易于在切削区域形成高温,散热慢,不利于热平衡,散热和冷却效果很差,加工后零件变形回弹大,易引起变形。为了阻止变形对加工精度的影响,必须合理安排工艺路线,采用合理的刀具及切削参数,并要采取热处理(人工时效,消除加工应力)措施。根据对零件材料性质、设计要求和加工要素的分析,确定加工流程见图2。

粗加工阶段,主要是为了加工定位基准面(孔),对精度要求不高的外部轮廓直接加工到图样要求的尺寸;精度要求高的孔(如 18+0.02

0m m孔、 10+0.016

m m孔、 6+0.013

0mm孔)和平面(如两端面)留有余量,待精加工完成。粗加工阶段以后,安排热处理工序(人工时效,消除加工应力),目的是消除粗加工阶段产生的加工应力。精加工阶段主要采用加工中心、座标镗、平磨、研磨等精加工工序完成零件的加工。

2 工艺难点及解决措施

2.1 工艺难点

1)钛合金的切削加工性比较差,主要因为:

a.导热性差,致使切削温度很高,降低了刀具耐用度;

b.加工表面温度达到600以上时,零件表面形成氧化硬层(硬化层厚度约为0.1~0.15m m),对刀具有强烈的磨损作用;

c.塑性低、硬度高,使剪切角增大,切屑与前刀面接触长度很小,前刀面上应力很大,刀刃易发生破损;

d.弹性模量低,弹性变形大,接近后刀面处工件表面回弹量大,所以已加工表面与后刀面的接触面积大,磨损严重。钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难,导致加工效率低,刀具消耗大;

2)摇臂外形复杂,不规则,多个侧耳相互不连续,相当于多处深槽的加工,加工时易造成零件变形。

3)由图1摇臂零件图可以看出,该零件形状复杂, 10+0.016

0m m孔、 6+0.013

0m m孔相对基准孔

18+0.02

0mm平行度允差为 0.05mm, 6+0.013

0mm 孔相对基准B同轴度允差为 0.04m m,同时

10+0.016

0mm孔也要同轴,需二次装夹定位才能完成,二次装夹会造成基准不重合,基准位移偏差。2.2 解决措施

1)针对钛合金材料的性质和切削过程的特点,加工时应考虑以下措施:

a.尽可能使用硬质合金刀具,如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高;

b.采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度,并减小工件与后刀面的摩擦,刀尖采用圆弧过渡刃,以提高强度,避免刀尖烧损和崩刃;

c.要保持刀刃锋利,以保证排屑流畅,避免粘屑崩刃

;

d.切削速度宜低,以免切削温度过高;进给量适中,过大易烧刀,过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快;切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下工作,有利于提高刀具耐用度;

e.加工时须加冷却液充分冷却;

f.切削钛合金时吃刀抗力较大,故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形,所以切削夹紧力不能大,特别是在某些精加工工序时,必要时可使用一定的辅助支撑。

2)针对摇臂外形复杂、不规则,多个侧耳相互不连续,相当于多处深槽的加工,若用刀具加工,就需要使用大悬伸、小直径刀具,影响加工稳定性,易造成零件变形。通过加工分析,深槽采用线切割加工方法,其余外形由加工中心加工。因钛合金导热性差,用快走丝线切割加工极易断丝,用慢走丝机床加工效果较佳。

3)针对 10+0.016 0mm 孔、 6+0.013

0mm 孔不连续

细长孔的加工,由于 10+0.016 0mm 孔长54m m,

6

+0.013 0

mm 孔长55mm,长径比L /D >5,又由于钛

合金工艺性差的原因,使得加工难度大大增加。主要通过以下几个方面来解决。

a.夹具的设计

第一次装夹因零件结构复杂,孔加工处刚度不好,会弹刀,不利切削。所以在刚性不足之处予以辅助支撑,确保在加工过程中零件不发生位移,在夹紧时也有同样的要求。

以 18+0.02

的孔为基准,保证位置尺寸:29

0 1mm 、61 0.1m m 、40 0.1m m,以刀具保证孔的几何形状,心轴和基准面一体,在保证配合间隙的同时,保证 18

+0.02 0

mm 孔的垂直位置,确保夹紧时

的位置一致或不超出平行度允差 0.05mm ,加工

左端 10+0.016 0mm 孔和 6+0.013

0mm 孔。

在加工右端时, 10

+0.016

mm 孔和 6+0.013 0mm

孔要求同轴度允差 0.04mm,考虑到 18+0.02

0mm 孔与心轴是间隙配合,此时采用两圆柱销,另一个与

10+0.016

0mm 孔配合,间隙在0.01mm 内,因为两销

可能出现过定位,所以此时应该根据实际情况,采用

一销一孔。

压紧螺钉尽量不要外出,采用内拉式,这样可以缩短刀杆长度,保证刀具强度和刚性。

b.刀具的选择

刀具是切削的关键,在去除余量的同时确保孔的位置。

用中心钻加工时,因孔为不连续孔,每段钻孔先钻中心孔。钻孔时,打开钻头的侧刃,在钻入的同时

修正孔的位置。图3 装夹定位图

刀具材料采用硬质合金、合理的钻头刃磨:加大顶角、减少外缘前角、增大外缘后角,倒锥加至标准钻头的2~3倍。勤退刀并及时清除切屑,注意切屑

的形状和颜色。如钻削过程中切屑出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝,应及时换刀刃磨。

二次扩孔,采用加长铣刀改制,使外圆尺寸小于孔尺寸0.15~0.25m m,以钻孔的形式扩孔修正。

铰孔时由于钛合金热扩散率小,切削温度高,选用硬质合金铰刀,保证孔尺寸一致。

4)切削参数选择,因钛合金材料难加工,应选择较低的主轴转速(加工孔一般选择200~300r/m in),进给量应小,铣削深度和宽度要窄、浅。大余量会使刀具抗力增加,刀具会弯曲甚至折断;散热性差,刀尖温度高,容易粘刀,刀具磨损快,所以应充分冷却。

5)冷却液,选用合成水溶性乳化液,切削加工时冷却液要充分,冷却液循环速度要快,切削液流量和压力要大。

钛合金加工最好不用含氯的冷却液,避免产生有毒物质和引起氢脆,也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。

3 结语

先后加工了几批零件,合格率不断上升,效率也

得到了很大的提高,实践结果表明,此方案可行,也为类似零件的加工提供了参考。随着新型战机将大量使用钛合金材料,应进一步加强钛合金材料加工工艺路线的优化、加工参数的调整,提高加工效率,保证产品质量。同时应进一步加强该技术的交流和推广,使之产生更大的经济效益与社会效益。

参考文献

[1]周泽华.金属切削原理[M ].上海:上海科学技术出版社,1984.

王彩霞

(衡水学院分院机电系,河北衡水053000)

摘 要:液压传动有许多突出的优点,因此它的应用非常广泛。如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等;行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等;钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等;船舶用的甲板起重机械(绞车)、船头门、舱壁阀、船尾推进器等;特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等;军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。本文从几个方面阐述了液压传动技术的应用场合。

关键词:液压传动技术;工程机械行走驱动系统;静液压传动技术;轨行式施工机械;水液压传动技术;注塑机

中图分类号:T K413.4 文献标志码:A

Application Technology of Hydraulic Transmission

W A NG Caix ia

(Department of M echanical and Electr ical Eng ineer ing,Inst itute of H eng shui Colleg e,H eng shui053000,China) Abstract:T here ar e many prominent cha racters of hy dr aulic transmission,ther efor e it is w idely used,such as co mmon industrial plastic pro cessing machinery,pr essure machiner y,machine too ls and so o n;the same situation in W alking ma chinery such as constr uctio n machiner y,building machinery,ag r icultural machiner y,automobile and so on;steel and ir on industrial machinery such as metallurg y machiner y,lifting gear,roll adjusting devices and so o n;T he ships deck hoisting machiner y such as bo w g ate,bulkhead valve,ster n propeller and so o n;the special t echnolog y such as giant ant enna co ntr ol dev ice,survey ing buo y,fluctuatio n r evolving stag e and so o n;t he militar y industr ial such as ar tiller y operating co ntr ol,the ships anti r olling system,the flig ht v ehicle simulatio n,t he alighting car riag e gathering and sending inst allment and the r ud der contr ol insta llment and so on.T his article elabo rated t he hydraulic tr ansmissio n technolog y applicatio n situation fro m sev eral aspects.

Key words:Hy dr aulic tr ansmissio n techno lo gy,Constructio n machinery walking driv er system,Stat ic hy dr aulic tr ans mission techno lo gy,A xle line like constr uctio n machinery,W ater hydraulic tr ansmissio n techno log y,Inject ion mo lding ma chinery

通常来讲,一般的机械设备是由动力装置、传动装置、工作执行装置和控制操纵装置组成。传动装置采用机械传动、电力传动、液压传动、气压传动或它们的组合等传动形式。液压传动是与机械传动、电力和气压传动等相并列的一种传动形式,是机械设备设计、使用和维护所必须掌握的技术和知识。目前,液压传动技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小型化与轻量化、一体化和执行件柔性化等方面取得了很大的进展。同时,由于与微电子技术密切配合,能在尽可能小的空间内传递尽可能大的功率并加以准确的控制,从而更使得它在各行各业中发挥出了巨大作用。1 液压传动技术在工程机械行走驱动系统

中的应用

与机械传动相比,液压传动更容易实现其运动参数(流量)和动力参数(压力)的控制,液压传动具有良好的低速负荷特性。由于具有传递效率高、可进行恒功率输出控制、功率利用充分、系统结构简单、输出转速无级调速、可正、反向运转、速度刚性大、动作实现容易等突出优点,液压传动在工程机械中得到了广泛的应用。几乎所有工程机械装备都能见到液压技术的踪迹,其中不少已成为主要的传动和控制方式。极限负荷调节闭式回路,发动机转速

[2]蒋骏.钛合金零件制造技术[M].北京:国防工业出版社,1991.

作者简介:李富长(1975 ),男,高级工程师,主要从事机械加

工工艺技术方面的研究。

收稿日期:2009年12月22日

责任编辑 王亚昆