[发明专利]一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有色金属加工技术，特别是一种大直径壁厚比钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法。

 

背景技术

钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异^[1]。因此，它在航空、航天、化工和造船等行业得到了越来越多的应用。我国船用钛合金的研究与应用起始于上世纪60年代，几十年来，已形成较完整的船用钛合金系列，能满足水面舰艇、水下潜艇和深潜器的不同强度级别的要求并适用于其不同部位^[2]。

该大直径壁厚比钛合金球壳结构特殊，加工精度要求高。钛合金弹性模量和导热系数都较低，且变形后回弹情况比较严重，这些都使钛合金机加工变形控制的难度增大。机加工此类大直径壁厚比工件时,传统方法都是装卡完成后直接加工到位。这样的加工过程会因为加工时的应力残余而使工件变形，而且切削过程中车刀挤压工件产生的工件弹性变形也会导致最终的加工变形，从而很难满足真球度和壁厚差等机加工技术要求，致使成品率降低。据统计，按照传统的机加工方法，该类大直径壁厚比工件的机加工成品率只有65%左右。本发明中的大直径薄壁钛合金球壳直径达到500mm，但壁厚只有9mm，该钛合金球壳在机加工中要求完成加工的球壳整体容差不得超过名义半径的0.5%，壁厚差不超过0.3mm，加工难度很大。而本发明中所提供的控制变形方法可使该类型工件质量达到并优于设计方提出的加工精度要求，且对同类型工件的加工成品率达到了100%，该高精度机加工变形控制方法可广泛应用于舰船用高压气瓶、航空用高压气瓶和耐压球壳等高精度耐压产品上。

钛合金由于具有耐蚀性优异、美观、质轻、热膨胀系数低、绝热性好等优点，成为国防建设领域最具竞争力的金属材料^[3]。近年来，随着我国综合国力的不断增强，钛合金的使用量与日俱增。钛合金受到越来越多行业的青睐，对钛合金构件的加工精度要求也越来越高。因此，有必要对钛合金精密机加工成形过程中存在的的变形控制问题进行研究，促进其在各行各业发挥更多的作用，满足我国国防建设和国民经济建设对钛合金日益增长的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，通过合理的机加工工艺，配合合适的刀具和冷却液，在钛合金耐压球壳等高精度耐压产品的机加工成型过程中很好的控制加工变形。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，钛合金球壳为大直径壁厚比，工艺路线如下：

一、粗加工：

根据图纸，将结束冲压的半球壳粗加工到单边2~5mm；整个机加工过程中，选取赤道部分的直边段小平面作为基准；粗加工先车外圆；车外圆时由于球壳壁厚较厚，故无需使用防变形工装；粗加工内球壳时，在外球壳上点焊一圆筒做为装卡工装，圆筒的直径200mm~300mm，长度在100mm~200mm之间；切削时使用刀具几何参数为：刀具前角γ₀取5°~15°、后角α₀≥15°、主偏角Kr和负偏角K’r分别取30°~45°和10°~15°，刃倾角λs取3°~5°，切削时采用较低的切削速度，控制钛合金的切削时温度不应超过550℃；由于高速钢的耐热性差，切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，优选YG类硬质合金制作的刀具，例如YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15刀具等。

二、第一次消应力热处理：退火在真空热处理炉中进行，退火时间约为2～4小时，退火温度在600℃到900℃之间。

消应力热处理是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备；

球壳在粗加工完成后，其表层因为存在残余应力而处于一种极不稳定的状态，一旦其内应力的平衡条件被打破，内应力的分布就会发生变化，从而引起新的变形，影响加工精度。甚至当里层的拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，工件表面会产生裂纹，加速工件的损坏；

为了消除残留在工件内部的组织应力，应对该验证球球壳进行去应力退火。退火在真空热处理炉中进行，退火时间约为2～4小时，退火温度在600℃到900℃之间；

三、半精加工：