鈦合金高精度薄壁零件加工方法分析

姜雨昂

摘 要：薄壁零件在加工的過程中非常棘手，究其原因，主要是薄壁零件的強度比較低，在進行加工的過程中，往往會出現一定程度的變形，無法有效地控制零件的加工質量。所以當前如何保證薄壁零件的加工精度逐步成為人們重點關注的問題。

關鍵詞：高精度薄壁零件;鈦合金;加工;裝夾

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0072-02

1 薄壁零件的概述

1.1 薄壁零件的定義

如果零件的結構尺寸和曲率半徑和厚度之比超過20時，我們叫這種零件為薄壁零件。薄壁零件的特點非常突出，一般情況下結構尺寸遠遠超過其厚度，呈現平板形或者圓環形。薄壁零件的組成材料一般有塑料、一些復合合金以及鈦合金。各種材料所加工的薄壁零件由于其材料特性的不同，應用于不同的場合，可以符合各種各樣的市場需求。

1.2 薄壁零件的應用現狀

薄壁零件在當前航空航天領域應用較為廣泛，具有結構緊湊，而且自身重量輕等諸多優點。隨著技術水平的逐步提高，在后期會逐步應用于其他領域當中。然而，從加工方法和加工工藝的角度進行分析，由于薄壁零件自身剛度相對較低，因此在加工工件的時候很容易出現變形，這也是導致薄壁零件無法大規模進行應用的一個重要原因，尤其是使用傳統方法進行加工的時候，成品率較低。

1.3 薄壁零件的加工方法改進的趨勢

本文主要分析鈦合金薄壁零件的高精度加工技術。薄壁零件通常使用的是加強筋，這也是薄壁零件質量輕的重要原因。在進行薄壁零件制造的過程中，各種規格不同、用途不同，零件的形狀各異，然而薄壁零件在加工的過程中，由于其自身特性，加工難度較大，而且因為薄壁的剛度相對較低，在加工時，容易出現扭曲變形等問題，造成薄壁零件的成品率不高，由此可見，在分析薄壁零件加工工藝和技術的過程中，合理的進行工藝優化，加強創新，保證保密零件的良品率是非常重要的，是加快薄壁零件加工行業快速發展的重要基礎。

2 對鈦合金高精度薄壁零件加工精度產生影響的因素分析

在進行薄壁零件加工的時候，對鈦合金高強度薄壁零件加工精度產生影響的因素多種多樣，通常而言，所使用的機床、加工的刀具以及工件的自身屬性都會影響薄壁零件的加工精度，比如說如果工件自身的剛度無法達到要求，在加工的時候很有可能產生形變等問題，造成精度出現一定的損失，因此在加工的時候一定要注意有效的控制工件產生形變的問題，讓薄壁零件加工的精度進一步提高。

2.1 加工過程中切削力和切削熱影響零件，產生變形

加工薄壁零件的過程中，其工藝參數對薄壁的加工精度有著直接的影響。因為鈦合金薄壁零件具有較低的彈性模量。在將零件表面加工完成之后，很容易出現較大的回調，這樣會造成刀具的后刀面和加工表面的面積進一步增大，直接影響保密零件的加工質量和加工精度，另外會導致刀具在使用的過程中大幅度的磨損，影響其耐用性。與此同時，在加工的過程中，如果切削力比較大，很容易達到或者超過材料的彈性極限，最終會造成零件出現塑性形變，另外切削熱也是對零件加工質量產生影響的重要原因。切削熱主要是因為切削過程中切屑和零件表面出現摩擦而導致的，如果加工的過程中切削弱較大，可能會造成工件表面的溫度受到影響，導致零件的形變情況大幅度增加。在加工的過程中無法保證零件的加工精度，另外也會導致零件的表面質量出現較大的影響。

2.2 裝夾過程中出現的問題對零件變形的影響

在薄壁零件加工的過程中，裝夾部分是非常重要的，裝夾工藝的好壞對薄壁零件的加工精度以及加工質量起著決定性的作用。在薄壁零件加工的過程中一定要控制夾緊力、夾緊點的位置以及加緊方案。如果夾緊力或者夾緊位置不合適，無法達到要求，很容易造成零件產生扭曲形變等情況，對零件的加工精度產生一定程度的影響。尤其是使用機床加工薄壁零件的過程中，一定要重視裝夾工藝，通過數據分析發現，由于裝夾工藝的影響而導致加工出現誤差的薄壁零件達到廢品率的1/3～1/2。與此同時，在加工薄壁零件的時候，切屑力和夾緊力的波動效應會出現耦合作用，造成零件內部出現殘余應力和加工殘余應力重新分布，這樣會直接影響零件的加工精度和質量，因此一定要重視薄壁零件的裝夾工作，讓薄壁零件的裝夾工藝水平進一步提升，避免加工的時候出現零件扭曲形變等問題。

2.3 殘余應力造成變形出現

具體分析薄壁零件的殘余應力，主要可以分成兩種。首先是在薄壁零件形成時出現的初始殘余應力。因為很多時候薄壁類零件是拼接合成產生的，在加工的時候會直接產生較大的殘余應力，另外是已加工表面的殘余應力。在薄壁零件加工的過程中，很有可能將零件毛坯原有的應力平衡打破，在此過程中零件內部的應力需要重新分布，會造成零件出現一定的變形。

3 如何優化鈦合金高精度薄壁零件加工的工藝

3.1 加強工件的裝夾控制

因為薄壁零件相對較薄，剛度較低，這樣在抵抗彈性形變的過程中能力不強，因此在工件加工的時候，裝夾也會對工件的形變產生一定的影響，裝夾主要是對工件起固定的作用，通過裝夾來對工件進行定位，并且確保工件加工過程中不會隨意偏移，保證加工的穩定性。如果裝夾位置不合理或者夾緊力較大或較小，都會影響加工過程中的精度，因此一定要對裝夾位置進行合理的選擇，控制裝夾位置呈對稱性，選擇裝夾力的過程中一定要與工件的剛度相結合，合理進行調整。如果當工件的剛度較高，在應用的過程中可以提高夾緊力，但是如果工件的剛度無法達到較高的要求，一定要合理的調整夾緊力，防止工件在加工的過程中產生形變，如圖1所示。

3.2 合理地設計工件的結構

設計薄壁零件的結構時，不單單需要對零件的使用要求和性能進行分析，還需要了解這種結構在加工時對工件的影響，工件結構不同，所采取的加工方法也不同。為了確保薄壁零件加工過程中具有較高的精度，一定要合理的設計工件結構。通常而言，鈦合金板材進行薄壁零件加工的過程中，需要保證具有較高的精度，零件的變形不單單會造成加工過程中良品率不高，裝配時產生困難，還有可能導致零件無法符合具體的應用要求。為了防止工件加工時產生較大的形變，一定要對工件設計進行充分的考慮，首先在設計工件的過程中盡量呈對稱結構，這樣可以有效的控制內力分布不均等問題，其次在設計薄板的過程中一定要控制薄板的厚度相同，在一些轉彎、轉角的地方，一定要注意加強熱處理，防止出現應力集中等情況，合理地對轉角進行設計。這樣可以讓工件的形變情況得到有效的控制。

3.3 重視工件的熱處理

工件在進行熱處理的時候，一般使用的是淬火以及人工時效處理來進行的。在熱處理的過程中，工件的溫度出現改變，工件內部會出現一定的相變應力和溫度應力，這也是造成工件出現形變的一個原因。另外熱處理還不能對原有的機械性能產生改變，因此在對熱處理進行應用的過程中需要考慮設置在初加工工作前。總之，一定要保證熱處理后，不會對工件產生影響，確保工件的機械性能，對工件熱處理產生的形變進行有效控制。

3.4 合理地使用切削液，控制加工工藝和方法

在工件加工的過程中一定要合理的對工藝進行安排，首先需要依照工件的結構和性能的不同，對工序進行控制，尤其需要關注的問題在于一些容易出現形變的部位，需要適當添加或減少工序來讓工件形變量減少。在工件粗加工的過程中，一定要預留一定的切削量。另外，加強工件的基準面定位，由于工件的逐步加工，需要時刻修正工件的基準面。因為加工的時候，工件的加工余量逐步減少，也會改變基準面。選擇切削液的過程中一定要重點考慮加工的刀具和加工的具體性質，依照工藝的要求以及刀具的使用，合理的選擇切削液，讓工件加工過程中的效率大幅度提高。

3.5 消除薄壁件的殘余應力

薄壁零件的初始殘余應力主要是因為毛坯受熱而產生的。在加工的過程中。薄壁零件的殘余應力會逐步反映出來，因此一定要重點研究殘余應力的變化情況，對殘余應力的影響進行分析，并且判斷和總結如何采取合理的方式進行加工，讓殘余應力消除，減少對工件出現的影響。盡管薄壁零件的殘余應力來源已經非常明確，但是依然無法確定加工過程中殘余應力對薄壁零件的影響。由于薄壁零件的殘余應力，主要是因為機械因素和熱因素共同影響而產生的，所以在控制殘余應力的過程中，相關人員采取和很多方法進行使用。當前較為流行的有限元分析方法，這種方法在應用的過程中可以形成完善的薄壁零件有限元模型，具有很強的運算能力，通過數據分析等方式預測殘余應力的影響。這種方法具有很大的實用價值，在使用的過程中，不單單可以對薄壁零件變形矯正的結果進行預測，還能夠依照具體情況對回彈進行預測。當前將工件毛坯殘余消除的方式主要有深冷處理、退火等方法。在這些方法當中，深冷處理應用最為廣泛，深冷處理可以將薄壁零件的殘余應力有效的減少。另外在處理的過程中可以讓零件的強度剛度等大幅度提高，確保零件具有較強的耐磨性，與此同時，深冷處理的過程中還可以改善零件原有的內應力分布情況，讓加工殘余應力影響零件變形的情況得到大幅度的控制。

4 結語

在薄壁零件加工過程中，形變的原因多種多樣，一定要對這些因素進行重點分析，找出主次，及時有效的控制一些關鍵性的影響因素，對薄壁零件的加工工藝進行改善和優化。本文主要對薄壁零件加工工件出現變形的原因進行分析，并且對薄壁零件加工過程中出現形變的控制方法進行闡述，改進傳統的加工方式對薄壁零件進行加工，可以在一定程度上讓工件形變的情況得到控制，確保產品的良品率和穩定性。然而需要對各種影響因素進行充分的考慮，合理的對有限元分析進行使用，通過先進的技術方法控制和預測薄壁零件的變形情況，讓薄壁零件的加工質量和加工精度大幅度提高。

參考文獻

[1] 李文東.高速銑削薄壁件加工變形控制及工藝優化研究[D].哈爾濱理工大學，2012.

[2] 季明浩.鈦合金環形薄壁零件加工工藝研究[J].工具技術，2006，40（2）：44-47.

[3] 鄭琪然，曾杰，羅恒雨.航空發動機鈦合金薄壁零件的工藝分析[C].探索創新交流-中國航空學會青年科技論壇文集，2004.

[4] 王文仲，張勇，王斌.鈦合金高精度薄壁圓環齒輪的加工工藝[J].機械制造，2013，51（5）：90-91.

[5] 孫超.基于刀具和工件剛度特性的鈦合金薄壁件切削穩定性研究[D].山東大學，2012.