钛合金高精度薄壁零件加工方法分析

  1.薄壁零件的分类及特点

   生活中常见的薄壁零件的形状一般为圆环形、壳体形以及平板形，这些零件的结构尺寸一般远远大于其厚度，而当其的结构尺寸或者曲率半径与自身厚度之比大于20的时候，我们称这种零件为薄壁零件。薄壁零件可以按照最基本的材料属性进行划分，一般有钛合金、塑料以及一些复合材料，这些不同材料加工出的薄壁零件具有不同的性质，可满足各种市场的需求，而本文主要对钛合金薄壁零件的高精度加工方法进行分析。薄壁零件几乎都是由薄型板和加强筋条构成，这也是薄壁零件质量轻的原因所在，通过制造不同规格的薄壁零件，可适用于各种用途。按照结构用途可以将薄壁零件分为梁类、接头类、壁板类以及肋类等类型，这些不同类型的零件都是具有各自独特的形状，完成各自的功能。但是，这种薄壁零件自身的特性使得生产过程较困难，因为薄壁具有较低的刚度，所以在加工过程中，很容易出现变形等情况，导致生产出的薄壁零件不符合标准。由此，可以看出，对薄壁零件的加工方法的分析以及对其加工工艺的优化是十分有必要的，对于推进薄壁零件加工行业的发展具有重大意义。

   2.影响钛合金高精度薄壁零件加工精度的因素

   在实际对薄壁零件的加工过程中，影响钛合金高精度薄壁零件加工精度的因素不计其数，一般来讲，工件的属性、刀具、机床这些都会对薄壁零件的加工精度造成影响。例如，如果因为工件自身的刚度不足，在加工过程中可能出现的变形就会导致较大的精度损失，所以，在加工过程中，尽可能减少或者避免工件出现变形的情况，这是提高薄壁零件加工精度最高效的方法。

   2.1装夹因素对零件变形的影响

   装夹工艺是整个薄壁零件加工工艺的核心工艺之一，不管是采用何种加工方式，装夹工艺的好坏都将直接决定着薄壁零件的加工质量。对于薄壁零件的加工，装夹方案、夹紧点位置和夹紧力等决定着被加工零件的质量。如果采用不合适的夹紧点位置或者夹紧力，可能导致零件出现不同程度的变形，也会在很大程度上影响零件的加工精度。特别是在机床上进行薄壁零件的加工时，装夹工艺的重要性体现得淋漓尽致，其中，30%～50%的加工误差都来源于装夹工艺。此外，在薄壁零件加工过程中，紧力与切削力间力的波动效应会产生耦合作用，从而导致加工残余应力和零件内部初始残余应力重新分布，这也会对零件的加工质量带来影响。所以，现在薄壁零件的装夹问题依然不容忽视，提升薄壁零件装夹工艺对于防止加工过程中的零件变形具有十分重大的意义。

   2.2切削力和切削热对零件变形的影响

   薄壁零件的加工工艺参数直接反映了薄壁零件与加工道具之间的关系，在薄壁零件的加工过程中，由于钛合金薄壁零件的弹性模量较低，已经加工完成的零件表面会产生较大的回弹，这样会直接导致已加工表面与刀具的后刀面接触面积增大，会对薄壁零件的加工质量的造成非常大的影响，使得零件的加工精度急剧下降，同时，也会降低刀具耐用度。另一方面，如果切削力过大，超过了材料的弹性极限，就会导致零件产生塑性变形。而且，切削热的存在也是影响零件加工质量的关键之一，切削热是由切屑与前刀面、工件已加工表面与后刀面之间的摩擦产生，大量的切削热会导致工件各部位的温度不均匀，也会加剧零件的变形，从而导致零件加工精度下降，同时，零件的表面质量也不能得到很好的保证。

   2.3残余应力对变形的影响

   薄壁零件中的残余应力主要有两个组成部分。一部分是在薄壁零件的初始成形过程中产生的初始残余应力，这部分残余应力的产生有多种原因，其中，对于大面积的拼接合成薄壁类零件，在加工过程中受到残余应力的影响更加明显。第二部分是已加工表面的残余应力，这部分残余应力主要是刀具对工件表层金属的机械作用、热作用以及里层金属的弹性恢复等各种因素综合影响的结果。在薄壁零件的加工过程中，极有可能打破零件毛坯中残余应力的平衡，而这时候，零件内部的应力平衡被打破，导致应力重分布，从而引起零件的变形。

   3.钛合金高精度薄壁零件加工工艺与优化

   3.1从工件的结构上考虑

   在对工件进行结构设计的时候，不仅仅要考虑工件的使用性能，还应该考虑这种结构对于加工过程的适应性，不同的工件结构所对应的加工方法是不同的，为了保证薄壁零件加工的精度，对工件结构的设计尤为重要。一般来讲，由钛合金板材加工而成的薄壁零件的应用都有较高的精度要求以及使用要求，零件的变形不仅仅会导致安装等过程中出现困难，并且有可能不能完成设计时零件所需要完成的工作。所以，为了避免出现工件在加工过程中出现变形的情况，第一，可以考虑将工件设计成对称的结构，这种结构使得工件在加工过程中各部分内力的释放是同步的，避免出现内力分布不均等情况。第二，在薄板的设计上，尽可能保证整个薄板的厚度一致，并且在工件的一些转角处，因为加工或者热处理，可能出现应力集中的现象，可以通过将转角设计位圆弧的结构进行过渡，从而减小工件的变形。

   3.2从工件的装夹方面考虑

   薄壁零件自身厚度较薄，仅仅具有较低的刚度，也就是说，工件抵抗弹性变形的能力较弱，所以，在工件的加工过程中，装夹在很大程度上也会影响到工件的变形。装夹主要是起到固定工件的作用，利用装夹对工件进行定位以及保证工件在加工中的稳定性，如图3所示。不合理的装夹位置以及夹紧力都会造成加工精度下降，所以，在选取装夹位置时，尽量保证各个装夹位置成对称关系，而夹紧力的选取可根据工件的刚度进行调整，当工件的刚度较高时，可以选择较大的夹紧力，但是特别注意的是，但工件的刚度较低时，一定要选择适当的夹紧力，不然很容易造成工件在加工过程中变形。

   3.3从热处理方面考虑

   工件一般的热处理是通过淬火以及人工时效处理完成的，而对工件进行热处理的时机对于减少工件变形来说是十分重要的。因为在对工件进行热处理的时候，工件因为自身的温度的改变，在工件内部就会产生温度应力以及相变应力，这也就是导致工件变形的主要原因。同时，热处理还不能破坏工件的机械性能，所以，一般可以考虑将热处理的时机安排在胚料粗加工前。?之，尽可能让热处理的时机合理化，这样才能既保证工件的机械性能，又能减少工件热处理导致的变形。

   3.4从工艺方法和切削液考虑

   在工件加工的工艺安排上，首先要根据不同种类的工件其组成结构的不同，进行工序的安排，其中，应特别注意的是，对该工件在加工中容易变形的部位进行分析，考虑是否能够通过一些工序的调整减少工件的变形量。其次，在进行工件的粗加工时，一开始需要预留下较大的切余量，并做好基准面定位的工作，随着工件加工的进行，需要时刻注意对基准面进行修正，因为加工过程中余量的减少必定会带来基准面的改变。切削液的选择则主要依据加工的性质以及加工刀具进行选择，根据不同的工艺安排以及刀具的使用情况进行切削液的合理使用，有助于提升工件加工的效率。

   3.5薄壁件残余应力的消除

   薄壁零件的初始残余应力一般是由毛坯材料的受热因素决定的，而加工残余应力一般是在进行薄壁零件的加工之后才能被反映出来，所以对残余应力的研究是值得注重的，如何预测残余应力的影响以及如何消除残余应力对零件加工质量的影响。

   虽然薄壁零件中残余应力的来源已经知道，但是其对薄壁零件加工中的变形影响却不能准确确定，因为薄壁件的残余应力导致薄壁零件变形一般是由受热因素和机械力因素共同作用的结果。目前，对残余应力的控制，一般是利用当前比较流行的有限元分析方法，建立薄壁零件的有限元模型，并利用数值分析的方法对残余应力的影响进行预测。此外，这个方法不仅可以模拟薄壁件变形矫正后的结果，还可以预测回弹。

   目前，消除工件毛坯残余应力的方法包括预拉伸、振动时效、时效退火和深冷处理。在这几种方法中，又属深冷处理应用最为成功。深冷处理可以有效地降低薄壁零件中的残余应力，同时，该处理还能提高零件的硬度以及强度、提高工件的耐磨性，提高了零件的使用寿命。此外，深冷处理还能保证零件的尺寸精度、改善零件内的内应力分布。而要减少加工残余应力对零件加工变形的影响，还是要从减少切削热的方面出发。

   结语：

   总的来说，导致薄壁零件在加工中变形的因素有很多，而这些因素间又有主次之分，如何区别出关键的影响因素并予以有效的控制，并通过优化改进薄壁零件的加工工艺的方式是控制薄壁零件加工变形的有效手段。本文分析了薄壁零件加工变形的原因，并且总结了目前对薄壁零件加工变形的控制方法。可以看出，通过改变传统的加工方法以及对加工工艺的优化对工件的加工具有一定的帮助，可以在一定程度上降低工件变形，保证出产产品的稳定性以及使用性。但是，只有综合考虑所有的影响因素，通过有限元分析方法，利用数值模拟的方式，对薄壁零件的变形作进一步预测和控制，才能提高薄壁零件的加工质量。