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鈦合金零件、鈦制加工零件的加工方法分析

發布日期:2020-04-22  瀏覽次數:314
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  薄壁零件憑借著自身質量輕、結構緊湊等優點在這個現代化的社會,特別是現在的航空領域已經深深站穩腳跟,并且在以后的發展中,勢必也會有它的一席之地。但是,就目前的加工工藝以及加工方法來看,因為薄壁零件自身剛度較低的原因,所以工件在加工工程中出現變形的問題依然限制薄壁零件大規模發展的原因之一,特別是一些傳統的加工方法,現在已經面臨淘汰,數控加工是未來工件加工的一個必然的發展趨勢。
  1、薄壁零件的分類及特點
  生活中常見的薄壁零件的形狀一般為圓環形、殼體形以及平板形,這些零件的結構尺寸一般遠遠大于其厚度,而當其的結構尺寸或者曲率半徑與自身厚度之比大于20的時候,我們稱這種零件為薄壁零件。薄壁零件可以按照最基本的材料屬性進行劃分,一般有鈦合金、塑料以及一些復合材料,這些不同材料加工出的薄壁零件具有不同的性質,可滿足各種市場的需求,而本文主要對合金薄壁零件的高精度加工方法進行分析。薄壁零件幾乎都是由薄型板和加強筋條構成,這也是薄壁零件質量輕的原因所在,通過制造不同規格的薄壁零件,可適用于各種用途。按照結構用途可以將薄壁零件分為梁類、接頭類、壁板類以及肋類等類型,這些不同類型的零件都是具有各自獨特的形狀,完成各自的功能。但是,這種薄壁零件自身的特性使得生產過程較困難,因為薄壁具有較低的剛度,所以在加工過程中,很容易出現變形等情況,導致生產出的薄壁零件不符合標準。由此,可以看出,對薄壁零件的加工方法的分析以及對其加工工藝的優化是十分有必要的,對于推進薄壁零件加工行業的發展具有重大意義。
  2、影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素
  在實際對薄壁零件的加工過程中,影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素不計其數,其中,主要的影響因素可以參見圖1,一般來講,工件的屬性、刀具、機床這些都會對薄壁零件的加工精度造成影響。例如,如果因為工件自身的剛度不足,在加工過程中可能出現的變形就會導致較大的精度損失,所以,在加工過程中,盡可能減少或者避免工件出現變形的情況,這是提高薄壁零件加工精度最高效的方法。
  2.1、裝夾因素對零件變形的影響
  裝夾工藝是整個薄壁零件加工工藝的核心工藝之一,不管是采用何種加工方式,裝夾工藝的好壞都將直接決定著薄壁零件的加工質量。對于薄壁零件的加工,裝夾方案、夾緊點位置和夾緊力等決定著被加工零件的質量。如果采用不合適的夾緊點位置或者夾緊力,可能導致零件出現不同程度的變形,也會在很大程度上影響零件的加工精度。特別是在機床上進行薄壁零件的加工時,裝夾工藝的重要性體現得淋漓盡致,其中,30%~50%的加工誤差都來源于裝夾工藝。此外,在薄壁零件加工過程中,?A緊力與切削力間力的波動效應會產生耦合作用,從而導致加工殘余應力和零件內部初始殘余應力重新分布,這也會對零件的加工質量帶來影響。所以,現在薄壁零件的裝夾問題依然不容忽視,提升薄壁零件裝夾工藝對于防止加工過程中的零件變形具有十分重大的意義。
  2.2、切削力和切削熱對零件變形的影響
  薄壁零件的加工工藝參數直接反映了薄壁零件與加工道具之間的關系,在薄壁零件的加工過程中,由于鈦合金薄壁零件的彈性模量較低,已經加工完成的零件表面會產生較大的回彈,這樣會直接導致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大,會對薄壁零件的加工質量的造成非常大的影響,使得零件的加工精度急劇下降,同時,也會降低刀具耐用度。另一方面,如果切削力過大,超過了材料的彈性極限,就會導致零件產生塑性變形。而且,切削熱的存在也是影響零件加工質量的關鍵之一,切削熱是由切屑與前刀面、工件已加工表面與后刀面之間的摩擦產生,大量的切削熱會導致工件各部位的溫度不均勻,也會加劇零件的變形,從而導致零件加工精度下降,同時,零件的表面質量也不能得到很好的保證。
  2.3、殘余應力對變形的影響
  薄壁零件中的殘余應力主要有兩個組成部分。一部分是在薄壁零件的初始成形過程中產生的初始殘余應力,這部分殘余應力的產生有多種原因,其中,對于大面積的拼接合成薄壁類零件,在加工過程中受到殘余應力的影響更加明顯。第二部分是已加工表面的殘余應力,這部分殘余應力主要是刀具對工件表層金屬的機械作用、熱作用以及里層金屬的彈性恢復等各種因素綜合影響的結果。在薄壁零件的加工過程中,極有可能打破零件毛坯中殘余應力的平衡,而這時候,零件內部的應力平衡被打破,導致應力重分布,從而引起零件的變形。
  3、鈦合金高精度薄壁零件加工工藝與優化
  3.1、從工件的結構上考慮
  在對工件進行結構設計的時候,不僅僅要考慮工件的使用性能,還應該考慮這種結構對于加工過程的適應性,不同的工件結構所對應的加工方法是不同的,為了保證薄壁零件加工的精度,對工件結構的設計尤為重要。一般來講,由鈦合金板材加工而成的薄壁零件的應用都有較高的精度要求以及使用要求,零件的變形不僅僅會導致安裝等過程中出現困難,并且有可能不能完成設計時零件所需要完成的工作。所以,為了避免出現工件在加工過程中出現變形的情況,第一,可以考慮將工件設計成對稱的結構,這種結構使得工件在加工過程中各部分內力的釋放是同步的,避免出現內力分布不均等情況。第二,在薄板的設計上,盡可能保證整個薄板的厚度一致,并且在工件的一些轉角處,因為加工或者熱處理,可能出現應力集中的現象,可以通過將轉角設計位圓弧的結構進行過渡,從而減小工件的變形。
  3.2、從工件的裝夾方面考慮
  薄壁零件自身厚度較薄,僅僅具有較低的剛度,也就是說,工件抵抗彈性變形的能力較弱,所以,在工件的加工過程中,裝夾在很大程度上也會影響到工件的變形。裝夾主要是起到固定工件的作用,利用裝夾對工件進行定位以及保證工件在加工中的穩定性,如圖3所示。不合理的裝夾位置以及夾緊力都會造成加工精度下降,所以,在選取裝夾位置時,盡量保證各個裝夾位置成對稱關系,而夾緊力的選取可根據工件的剛度進行調整,當工件的剛度較高時,可以選擇較大的夾緊力,但是特別注意的是,但工件的剛度較低時,一定要選擇適當的夾緊力,不然很容易造成工件在加工過程中變形。
  3.3、從熱處理方面考慮
  工件一般的熱處理是通過淬火以及人工時效處理完成的,而對工件進行熱處理的時機對于減少工件變形來說是十分重要的。因為在對工件進行熱處理的時候,工件因為自身的溫度的改變,在工件內部就會產生溫度應力以及相變應力,這也就是導致工件變形的主要原因。同時,熱處理還不能破壞工件的機械性能,所以,一般可以考慮將熱處理的時機安排在胚料粗加工前。?之,盡可能讓熱處理的時機合理化,這樣才能既保證工件的機械性能,又能減少工件熱處理導致的變形。
  3.4、從工藝方法和切削液考慮
  在工件加工的工藝安排上,首先要根據不同種類的工件其組成結構的不同,進行工序的安排,其中,應特別注意的是,對該工件在加工中容易變形的部位進行分析,考慮是否能夠通過一些工序的調整減少工件的變形量。其次,在進行工件的粗加工時,一開始需要預留下較大的切余量,并做好基準面定位的工作,隨著工件加工的進行,需要時刻注意對基準面進行修正,因為加工過程中余量的減少必定會帶來基準面的改變。切削液的選擇則主要依據加工的性質以及加工刀具進行選擇,根據不同的工藝安排以及刀具的使用情況進行切削液的合理使用,有助于提升工件加工的效率。
  3.5、薄壁件殘余應力的消除
  薄壁零件的初始殘余應力一般是由毛坯材料的受熱因素決定的,而加工殘余應力一般是在進行薄壁零件的加工之后才能被反映出來,所以對殘余應力的研究是值得注重的,如何預測殘余應力的影響以及如何消除殘余應力對零件加工質量的影響。
  雖然薄壁零件中殘余應力的來源已經知道,但是其對薄壁零件加工中的變形影響卻不能準確確定,因為薄壁件的殘余應力導致薄壁零件變形一般是由受熱因素和機械力因素共同作用的結果。目前,對殘余應力的控制,一般是利用當前比較流行的有限元分析方法,建立薄壁零件的有限元模型,并利用數值分析的方法對殘余應力的影響進行預測。此外,這個方法不僅可以模擬薄壁件變形矯正后的結果,還可以預測回彈。
  目前,消除工件毛坯殘余應力的方法包括預拉伸、振動時效、時效退火和深冷處理。在這幾種方法中,又屬深冷處理應用最為成功。深冷處理可以有效地降低薄壁零件中的殘余應力,同時,該處理還能提高零件的硬度以及強度、提高工件的耐磨性,提高了零件的使用壽命。此外,深冷處理還能保證零件的尺寸精度、改善零件內的內應力分布。而要減少加工殘余應力對零件加工變形的影響,還是要從減少切削熱的方面出發。
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