鈦合金機械手的制造工藝分析

馬先磊

（北京北儀創新真空技術有限責任公司，北京102600）

1 引言

鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，被廣泛應用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。比如航空、醫療、刀具等。但是鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫、氧、氮、碳等雜質，生產加工工藝復雜。

鈦合金是一種難加工材料，本公司研發的HLD-8多室鍍膜設備上用到了鈦合金機械手，該零件是此設備研制過程中的一個難點，設計局限性大，精度要求高，加工困難。本文對鈦合金機械手的選材和結構工藝性進行了分析，同時給出了合理的制造方案。

2 機械手的工作環境和技術要求

機械手是在超高真空環境下工作，工作溫度為350℃。進出片室內盛片架上一次要裝6個片盒（工件是盛在片盒中），加上室體空間的限制，片盒在盛片架上只有7mm間隙，而機械手自身厚度就有4mm，因此理論上機械手在裝片盒時上下只有3mm的移動間隙，為了使機械手能準確定位到片盒上，并順利帶走片盒，機械手上裝有四個圓錐銷，圓錐銷高出手面1.5mm，這樣機械手的上下可調距離就更小了。另外機械手要求在350℃烘烤下使用不得變形，而且材質要輕。因此機械手整體精度要求較高，屬難加工件，機械手結構見圖1。

3 機械手材料的選擇及結構工藝性分析

機械手的工作條件是在超高真空室內350℃烘烤狀態下傳輸片盒，因此材料要求高溫下不變形，而且有一定的強度，重量要輕，真空狀態下放氣少。我們選擇了鈦合金Ti-6Al-4V（TC4），此鈦合金應用最為廣泛，比強度大，在室溫、高溫和低溫狀況下不僅具有良好的綜合力學性能，且在多種介質中有優異的耐蝕性，同時可焊接、冷熱成形［1］。

圖1 機械手

機械手設計圖見圖1，從圖中不難看出設計者的原意是用厚4mm的鈦合金板彎制而成。但鈦合金材料（TC4）比較硬，如果此鈦合金板冷彎成直角，彎形內圓角不得小于 3倍的板厚［2］，即R≥12mm，彎形圓角與圖紙不符，且彎形后易反彈，平行度很難控制，經與設計者商量，由于設計裝配空間的限制，彎形圓角不能放大；如果采用熱彎，我們公司沒有相應的彎形條件。另外機械手表面質量要求高：平面度高，表面粗糙度為Ra0.4，所以在制定機械加工工藝時，決定將原設計方案從工藝上進行調整。

4 解決方案

圖2 機械手拼焊結構圖

由于鈦合金（TC4）具有可焊接性，在加工此工件時就采用拼焊的方式對原設計進行了改進，工藝調整后的焊接結構見圖2；上面板和立板用的是4mm板料，左端的板厚是5mm。

根據機械手的實際使用情況，對原設計基準和平面度要求也進行了調整，焊后加工圖見圖3。圖中A面為放片盒的貼合面，加工時只要140mm長度范圍內平面度和平行度達到要求，B面為與機械臂裝夾貼合面，貼合長度為56mm，也就是說加工時只要56mm寬度范圍內達到要求就可以了。

圖3 機械手焊后加工圖

5 加工基準的選擇、裝夾方式及加工工藝

在基準選擇過程中，設計、加工、裝配的基準越統一（重合）越好，另外兩加工面也可互為基準，以精加工后的大面為定位基準來加工小面，精度會更高，所以在磨削加工時選擇A面作為B面的加工定位基準。

由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會降低工件的加工精度；工件安裝時的夾緊力不宜過大，所以在磨削加工時做了輔助支撐。裝夾時將工件用四個螺釘固定在裝夾板上，平口虎鉗夾持裝夾板（見圖 4）。

圖4 磨削裝夾示意圖

機械手的加工工藝順序為：下料→磨削→焊接→拋光→時效→調平→研磨→鉆削→磨削→線切割→檢驗。

下料：采用線切割下料，由于材質較硬，線切割下料板面基本不會變形，而且下料直接成形，省去后序加工四邊。

磨削：磨兩大面整體見光即可，盡量少磨，目的是得到較低的表面粗糙度和平面度。

焊接：采用鎢極氬弧焊焊接方法。

拋光：目的是將板材四周線切割面和焊縫處拋光，使其表面粗糙度與大面表面粗糙度基本一致。

時效：振動時效處理，目的是去焊接應力。

調平：焊后變形，板之間平行度和垂直度以及自身的平面度都要進行調整。

研磨：在平臺上研磨A面，目的是得到較高的平面度，并為加工B面提供一個精基準。

鉆削：在立式加工中心加工，鉆鉸四個銷孔，鉆擴兩個裝夾孔。

磨削：以A面為基準，將機械手固定在裝夾板上（裝夾板是經過磨削加工的），用平口虎鉗夾持裝夾板，找平、找正裝夾板，并用四個小千斤頂和平板隔開頂持B面下方（保護B處底面不被劃傷），可參見圖4。然后磨B面，磨削寬度為56mm，保證尺寸43mm和平面度、平行度及表面粗糙度。

線切割：切割寬70mm的U形開口。

檢驗：為了保證零件加工質量，檢驗自始至終貫穿整個加工過程。

6 結語

由于本廠現有加工條件的限制，所以此加工工藝過程中仍存在一些不足：

（1）手工研磨，效率低，人為因素大，表面質量不穩定。如果采用平面超精加工機研磨，得到的表面質量會更好［3］。

（2）振動時效處理只能去除1/3左右的焊接應力，從長遠看，為了提高產品的生產效率，提高產品的質量，使產品質量穩定，對機械手焊后要進行真空熱處理，即真空退火去應力處理，可徹底去除焊接應力和材料應力。

通過對鈦合金機械手的制造工藝分析，我們可以看出同樣的設計可以用不同的工藝方法來實現，只要善于思考，轉變思維，充分了解工件的實際使用情況，就可以在有限的條件下使難加工零件順利產成。

工藝是生產管理重要的組成部分，也是不可缺少的一部分，工藝必須嚴謹可靠、科學合理，才能起到正確指導生產的目的；而且工藝成本占生產成本比例大，其經濟性影響生產成本。

［1］ 王文斌.機械設計手冊（第3卷）［M］.北京：機械工業出版社，2004：302-305.

［2］ 曾正明.機械工程材料手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003：844.

［3］ 楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2001：310-311.