變截面桶形鈦合金零件熱處理變形控制夾具設(shè)計(jì)研究

吳峰

摘要：本文簡要闡述了典型鈦合金零件的熱處理變形控制夾具設(shè)計(jì)研究，總結(jié)出了典型變截面桶形鈦合金零件熱處理變形控制夾具材料選擇及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。該夾具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通用性強(qiáng)，對(duì)于該類零件的熱處理加工變形控制具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：熱處理;變形控制夾具;鈦合金;變截面桶形

1.引言

鈦及鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐高溫性好、耐腐蝕性好等諸多突出的優(yōu)點(diǎn)，并能夠完成各種形式的零件成形、焊接加工和機(jī)械加工等。一些民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也逐漸采用鈦合金結(jié)構(gòu)代替其它結(jié)構(gòu)。

在鈦合金機(jī)加件的機(jī)械加工及焊接過程中會(huì)產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力通過去應(yīng)力退火熱處理后，應(yīng)力釋放的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生其它變形。熱處理過程是一個(gè)從加熱到冷卻的過程，在此過程中零件會(huì)發(fā)生體積和組織變化，同時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，在應(yīng)力釋放的同時(shí)零件產(chǎn)生的變形也是不可避免且不可估量，而且零件越長，形狀越復(fù)雜，其變形也就會(huì)相應(yīng)越大越嚴(yán)重，如若產(chǎn)生較大的變形，則使機(jī)械加工校正非常困難，嚴(yán)重影響零件的裝配使用甚至?xí)斐闪慵?bào)廢。因此，只能在熱處理過程中通過熱處理保型夾具控制零件變形在合理范圍之內(nèi)。

上述問題表明：控制鈦合金零件在熱處理過程中的變形是熱處理工藝急待解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)。在熱處理過程中，掌握控制鈦合金零件變形的技術(shù)，可以大大地減少或節(jié)省熱處理后的校形工作量，降低制造成本，避免零件因變形報(bào)廢，提高經(jīng)濟(jì)效益和熱處理質(zhì)量。掌握控制熱處理變形的技術(shù)對(duì)提高熱處理質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)精密熱處理有著重要意義。

2.變形控制夾具材料的選擇

夾具材料的選用影響著夾具的整體工藝性、夾具的功能、夾具的壽命以及夾具加工制造的成本。所以，夾具材料的選擇應(yīng)從夾具功能、強(qiáng)度剛性、工藝性、結(jié)構(gòu)、精度、重量、成本等方面綜合考慮。但對(duì)于熱處理變形控制夾具，夾具材料的選擇除了遵循上述材料的選擇原則外，還必須考慮材料熱處理時(shí)的變形情況，即考慮各材料的膨脹系數(shù)。若夾具材料全部選用與產(chǎn)品材料相同的TC4材料，在高溫?zé)崽幚頃r(shí)，夾具與產(chǎn)品的變形情況相同，起不到控制零件變形的作用;若二者選用不同材料，則必須考慮兩種材料在高溫下因熱膨脹系數(shù)差異對(duì)零件和夾具尺寸的影響，以及兩種材料在真空高溫下會(huì)不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。

1Cr18Ni9Ti在600℃時(shí)的線膨脹系數(shù)最大。1Cr18Ni9Ti既是奧氏體不銹鋼，也是應(yīng)用最廣泛的奧氏體熱強(qiáng)鋼。其含碳量低，ωc≤0.15%，且含有較多的鉻和鎳，其平均含鉻量ωCr為18%，含鎳量ωNi為9%。較多鎳的加入擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)，從而獲得了奧氏體組織。又由于鉻的加入，使鋼表面形成鈍化膜，提高鋼基體的電極電位，所以這類鋼具有較高的耐蝕性和高溫強(qiáng)度、抗氧化性好以及無磁性等特點(diǎn)。所以，即使1Cr18Ni9Ti鋼用于700℃的高溫，也是可以勝任的。

鈦合金機(jī)加件的材料為Ti-6Al-4V（TC4），TC4鈦合金含有4%的β相穩(wěn)定元素V 和6%的α相穩(wěn)定元素Al，屬于典型的Ti-Al-V系α+β型雙相熱強(qiáng)鈦合金。TC4具有良好的工藝性能，包括熱變性能、抗蝕性、切削加工性和焊接性，可加工成棒材、板材、型材、鍛件等。熱處理后的強(qiáng)度相比退火狀態(tài)強(qiáng)度可提高一倍;其高溫強(qiáng)度高，盡管在400℃～500℃的溫度下，也可長期工作;其熱穩(wěn)定性高，僅次于α鈦合金。TC4材料退火狀態(tài)下強(qiáng)度一般為900MPa，固溶強(qiáng)化處理后，強(qiáng)度只能增加200MPa，強(qiáng)度增加不大。

由以上夾具材料選用原則以及TC4與1Cr18Ni9Ti材料特性分析可以得出以下結(jié)論：

（1）1Cr18Ni9Ti的熱膨脹系數(shù)比TC4大，滿足夾具夾緊結(jié)構(gòu)的選用原則;

（2）TC4與1Cr18Ni9Ti二者高溫特性相似，都具有較高的高溫強(qiáng)度和耐蝕性。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)條件和初期熱處理變形控制夾具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證，1Cr18Ni9Ti鋼的綜合性能在本次夾具的選材上可以考慮。

3.飛機(jī)圓筒型零件熱處理變形控制夾具結(jié)構(gòu)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)圓筒型排氣管內(nèi)管熱處理時(shí)的變形包括焊接加工存留的變形及熱處理應(yīng)力產(chǎn)生的變形。此次熱處理變形控制由熱處理變形控制夾具來實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)圓筒型排氣管熱處理變形控制夾具整體結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。

夾具由底座1、起吊裝置2、下定位座3、右半定位座4、左半定位座5和外圓卡箍組件6成。排氣管內(nèi)管組件豎直放置于底座1的上平面上，組件筒的內(nèi)型面與下定位座3、右半定位座4及左半定位座5的外型面相吻合，右半定位座4和左半定位座5通過兩個(gè)圓柱銷定位在下定位座3，外圓卡箍組件6通過楔形塊均布夾緊于組件外圓上。起吊裝置2通過螺釘和螺母連接在底座1上，在進(jìn)入真空爐進(jìn)行熱處理前將其拆除即可。圖4.9為熱處理變形控制總體結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2 壓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具中螺紋連接不能出現(xiàn)，因?yàn)槁菁y連接在熱處理后有可能會(huì)被剪斷，造成零件不能拆卸。這就需要新型壓緊結(jié)構(gòu)來滿足壓緊要求。

壓板設(shè)計(jì)有壓腳與零件翼板的上表面型面完全吻合，楔形塊的上表面（斜面）與連接座上的焊接銷的斜面配合，楔形塊的下表面（平面）與連接座底座的上表面相配合來壓緊零件。

4? 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件以及最初的零件熱處理變形控制夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證，確定熱處理變形控制夾具夾具材料的選用原則及設(shè)計(jì)原則如下：

1、夾具夾緊結(jié)構(gòu)的材料選擇比零件材料熱膨脹系數(shù)大的金屬材料;高溫時(shí)壓緊件較大的體積變化使零件壓緊力和壓緊面更大，更好的阻止零件熱處理變形。

2、定位裝置的材料選擇與下緣條零件盡量相同或相近的金屬材料，提高定位精度;

3、夾具體和其它連接元件的材料選擇耐高溫、耐腐蝕的金屬材料。

4、新型定位結(jié)構(gòu)的選用。定位座由若干個(gè)半圓板和兩個(gè)立板橫縱交叉焊接而成，每塊焊接板上開有減輕孔。此種結(jié)構(gòu)便于加工，定位準(zhǔn)確且不繁瑣。

5、新型起吊裝置的選用。起吊裝置由方形管橫、縱、斜著交叉焊接而成，依據(jù)起吊穩(wěn)定性，確定起吊的高度。

6、內(nèi)筒內(nèi)型面的熱處理變形控制，由上下定位座的外型面與內(nèi)筒內(nèi)型面相吻合及夾具自身材料的熱處理變形特性來實(shí)現(xiàn)。

7、內(nèi)筒外型面的熱處理變形控制，由外圓卡箍的內(nèi)型面與內(nèi)筒外型面相吻合、夾具自身材料的熱處理變形特性以及楔形塊的夾緊力來實(shí)現(xiàn)。

此類夾具結(jié)構(gòu)用于立式筒狀薄壁鈦合金件的熱處理變形控制，尤其是夾具中的定位結(jié)構(gòu)和起吊裝置對(duì)后續(xù)類似零組件的熱處理變形控制提供更好的設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)理念。

參考文獻(xiàn)

[1]曲鳳.TA15鈦合金零件熱校形方法[J]金屬熱處理，2015，3