CN113070651B - 大型钛及钛合金曲面构件的机加工工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型钛及钛合金曲面构件的机加工工艺方法，属于金属材料机加工工艺制造技术领域，所述机加工首先结合瓜瓣曲面结构特点，制作专用工装对瓜瓣进行装卡，解决工件加工过程中的振动、滑移等问题；然后在球壳加工余量部位选择小范围区域内加工出规则平面作为基准平面或者定位点，解决加工定位基准选择问题；最后结合工装、定位基准，利用设备本身加工精度、定位精度并辅以相应先进测量手段等确保工件加工精度。本发明在工装设计、加工定位基准选择方法等方面进行创新，使大型钛及钛合金曲面构件的机加工精度达到很高的要求，对指导同类型工件的机加工有重大的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于金属材料机加工工艺制造技术领域，主要涉及由空间曲面组成的大型构件的机加工工艺方法。
背景技术
钛及钛合金由于具有密度小、比强度高、耐热性能好、耐蚀性能优良等特点，所以在航空、航天、航海、石油、化工、电力、医疗、体育等领域获得了广泛的应用。随着钛和钛合金使用量的逐年增加，相应的机加工零部件也逐渐增多，且对机加工构件的机加工精度要求也越来越高。
钛及钛合金与其它金属及其合金相比，其机加工特性有众多不同，主要加工特点有：
1）钛和钛合金的导热性差且具有高的化学活性，易使刀尖温度急剧升高，导致刀刃红硬性下降，迅速磨损；还易与周围介质发生化学反应造成切削氧化，使工件表面氧化***，导致刀具迅速磨损或崩刃。
2）钛和钛合金的弹性模量小，在切削加工过程中容易产生较大的变形和回弹、扭曲、滑移、振动，造成加工件几何形状差，精度降低，表面粗糙度增大。
3）钛和钛合金在切削过程中黏刀现象严重，这是由于钛的亲和性大，切削很容易黏附在刀刃上，使刀具和加工件间摩擦力剧增，摩擦产生的大量热量使刀具寿命大大降低，同时也增大了表面粗糙度。
钛和钛合金以上的机加工特点导致了钛和钛合金的难加工，除易磨刀具外，最难控制的在于在切削加工过程中工件容易产生较大的变形和回弹、扭曲、滑移、振动，还容易造成刀具震动，从而造成加工件几何形状差，精度降低，表面粗糙度增大。普通钛及钛合金非曲面构件由于结构规整、规格较小，所以上述机加工难点容易得到解决。
传统钛及钛合金构件的机加工方法如下：
1）选取零件本身某一合适平面作为基准平面。
2）以基准平面为基准进行其它尺寸加工。加工过程中要选择性能较好的刀具，同时调整进刀量和加工速度以克服钛及钛合金的刀具磨损、震刀、黏刀等特点。
3）加工过程中采用辅助测量工具（卡尺、千分尺等）对工件各加工尺寸进行及时测量，以及时发现、解决钛及钛合金工件加工过程中的变形、回弹、扭曲、滑移、振动等对工件尺寸造成的影响，确保工件加工精度。
以上传统钛及钛合金构件的机加工方法无法满足大型曲面构件的加工质量要求，主要原因有：
1）构件规格大、重量大又是曲面结构，在加工过程中非常容易振动、滑移。
2）构件各面基本均为曲面结构，本身没有合适平面作为基准平面。
3）构件在加工过程中没有合适的辅助测量工具对相应曲面尺寸进行测量。
鉴于此，高精度要求的大型钛及钛合金曲面构件加工急需一种新的钛及钛合金机加工工艺方法。
发明内容
本发明在工装设计、加工定位基准选择方法等方面进行创新，提供一种大型钛及钛合金曲面构件的机加工工艺方法，以使大型钛及钛合金曲面构件的机加工精度达到很高的要求，对指导同类型工件的机加工有重大的指导意义。本发明主要解决如下问题为：
1）大型曲面构件在加工过程中的振动、滑移等问题；
2）大型曲面构件在加工过程中的加工定位基准选择问题；
3）大型曲面构件在加工过程中的尺寸精度控制问题。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
大型钛及钛合金曲面构件的机加工工艺方法，所述曲面构件为钛合金半球壳的1/6瓜瓣，所述机加工工艺方法包含以下步骤：
步骤一、结合瓜瓣曲面结构特点，制作专用工装，然后将瓜瓣与工装装卡；所述工装与瓜瓣外球面接触，二者接触部分均为球面，工装接触面与外球面以相同半径尺寸进行加工；
步骤二、在球壳加工余量部位选择小范围区域内加工出规则平面作为基准平面或者定位点，加工定位基准选择方法有两种方案：
方案一：在内球面加工余量部位选取加工定位基准，即在瓜瓣4个尖角附近的内球面上加工出4个定位基准；
方案二：在瓜瓣顶端和底端面的加工余量部位选取加工定位基准；
步骤三、结合工装、定位基准，利用设备本身加工精度、定位精度并辅以相应先进测量手段确保工件加工精度。
其中，步骤二所述小范围区域在粗加工后选取，然后在精加工过程中给予保留，最后在其他所有尺寸加工到位合格的情况下再加工。
其中，在步骤三加工过程中利用设备本身定位精度参照定位基准对关键尺寸进行时时定位；瓜瓣包括钝边宽度和弦长在内的部分尺寸采用卡尺直接测量，其它尺寸在加工到净尺寸余量1mm时对瓜瓣采用三坐标测量仪进行测量，根据测量结果再次进行加工。
更一步地，所述机加工工艺方法，方案如下：
1）对瓜瓣划线，给出粗加工余量；
2）以同一半径尺寸加工瓜瓣外球面和工装球面；
3）工装装卡瓜瓣进行粗加工；
4）在瓜瓣4个角的小范围区域内加工出4个定位基准；
5）半精加工至单边余量1mm，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制包括进刀量在内的各参数；
6）三坐标测量仪检测瓜瓣各尺寸；
7）根据三坐标测量结果进行瓜瓣精加工，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制包括进刀量在内的各参数；
8）三坐标测量仪终检。
有益效果：
采用本发明所述的大型钛及钛合金构件机加工工艺方法制造的球壳瓜瓣完全满足设计图纸的各尺寸指标要求，与传统机加工工艺方法相比，机加工精度大大提高。
附图说明
图1是瓜瓣形状示意图；
图2是瓜瓣坡口示意图；
图3是瓜瓣坡口两侧面空间夹角及半径示意图；
图4是瓜瓣组焊后半球壳示意图；
图5是瓜瓣装配示意图；其中，a)钝边间隙（≤0.5mm），b)钝边错边量（≤0.5mm）；
图6是瓜瓣加工工装示意图；
图7是工装装卡和瓜瓣加工定位示意图。
补充说明：
附图5说明：6件瓜瓣组装后由于单个瓜瓣加工精度的影响可能会主要出现两种情况：第1种情况即附图5a）所示，2个坡口钝边会存在间隙（出现在顶端或者底端）；第2种情况即附图5b）所示，由于受6件瓜瓣内外球面在同一球面的约束，所以会导致2个坡口钝边会出现错边，错边量如果大于钝边宽度则会导致后续无法焊接。
附图7说明：根据瓜瓣本身形状，瓜瓣装卡只能在4个侧弧面进行装卡。单独加工一个侧弧面时，该侧弧面的装卡装置必须拆除，所以，在4个侧弧面顺次加工时，其装卡装置也是顺次拆除然后再顺次安装的，这个过程中很可能会造成工件装卡松动，进而可能造成工件滑动。所以，必须在加工过程中时时参照4个定位基准进行重新定位。
具体实施方式
本发明适用于大型钛及钛合金曲面构件的机加工。
本发明所述的大型钛及钛合金曲面构件机加工工艺方法过程中所需设备：加工中心、三坐标测量仪。
本发明所述的大型曲面构件为钛合金半球壳的1/6瓜瓣，瓜瓣由多个曲面构成，精加工后的轮廓尺寸约为1300×1100×δmm，重量达数百千克，瓜瓣构件形状示意图见附图1。瓜瓣的两侧面开有对焊坡口，坡口形状尺寸如附图2、3所示。精加工后6件瓜瓣将组焊成一个半径约为φ1000mm左右的半球壳，如附图4所示。
钛合金瓜瓣构件机加工特点及难度主要有：
1）瓜瓣形状规格大、重量大又是曲面结构，加工过程中非常容易振动、滑移。
由附图1~4可知，瓜瓣内外两个面为球面，顶端面为垂直赤道面的圆柱面，底端面为过赤道圆环面，两侧坡口面空间夹角60°，坡口钝边曲线为一段圆弧，圆弧与瓜瓣内外球面同心。瓜瓣构件的这些面与面之间互成角度、互为约束，构成较复杂空间结构体。由于瓜瓣规格大、重量大，再加之钛及钛合金本身加工容易振动、震刀等特点，这些都会造成瓜瓣机加工过程中工件的稳定性差，非常容易振动、滑移，给机加工精度控制带来非常大的难度。
2）瓜瓣本身没有合适的加工定位基准面可供选择。
瓜瓣曲面之间互成角度、互为约束，没有常规的合适平面作为基准平面。
3）瓜瓣坡口加工精度要求高。
瓜瓣加工难度最大的部位是两侧坡口钝边的加工，主要表现如下：
a） 由附图2可见，坡口钝边半径：R1016±0.1mm；坡口钝边宽度：2±0.1mm；
b）由附图3可见，坡口两侧钝边夹角为60°；坡口钝边圆弧要与瓜瓣内外球面同心。
单个瓜瓣加工必须考虑后续6个瓜瓣的组装焊接，坡口设计方案要求坡口钝边为无缝对接，所以，虽然坡口钝边夹角和同心度无严格公差要求，但受6个瓜瓣的装配约束。6个瓜瓣加工后装配要求如附图5所示，具体如下：
a） 半球壳半径（约R1000mm）偏差≤1mm；
b）任意两瓜瓣坡口钝边最大间隙≤0.5mm；
c）任意两瓜瓣坡口钝边最大错边量≤0.5mm。
d）两坡口夹角α如果偏差过大将会影响后续焊接工作的开展，甚至影响焊接质量。
以上装配精度要求较高，所以必须对单个瓜瓣的机加工精度进行严格控制，尤其是钝边半径R1016mm、单个瓜瓣上的两坡口夹角60°、两个瓜瓣相邻的坡口夹角α、钝边圆弧与内外球面同心度这几个尺寸更是要进行精确控制。
针对以上瓜瓣机加工特点及难度，主要采用以下措施给予解决：
1）结合瓜瓣曲面结构特点，制作专用工装解决工件加工过程中的振动、滑移等问题。
设计制作的专用工装见附图6。由于瓜瓣本身体积较大、重量较重，所以制作的工装也应相对较大且要求刚性较好，以保证加工过程中工件的稳定。工装与瓜瓣外球面接触，二者接触部分均为球面，工装接触面与外球面以相同半径尺寸进行加工，这样可以使二者以面进行接触，从而避免点或者线接触。
此工装设计制作方法可以保证瓜瓣构件在机加工过程中的稳定性，防止工件的振动、滑移。瓜瓣与工装装卡后如附图7所示。
2）在球壳加工余量部位选择小范围区域内加工出规则平面作为基准平面或者定位点。
加工定位基准选择方法如附图7所示：
方案一：在内球面加工余量部位选取加工定位基准，即在瓜瓣4个尖角附近的内球面上加工出4个定位基准，如附图7中的A、B、C、D位置。
方案二：在瓜瓣顶端和底端面的加工余量部位选取加工定位基准，如附图7中E、F、G、H位置所示。
采用该方法选取加工定位基准，即使工件在加工过程中有振动、滑动等情况出现，也可以确保4个加工基准的相对位置固定，加工过程中时时参照这4个定位基准进行更新定位可以确保工件尺寸的加工精度。此小范围局部区域可以在粗加工后选取，然后在精加工过程中给予保留，最后在其他所有尺寸加工到位合格的情况下再加工。
3）结合工装、定位基准，利用设备本身加工精度、定位精度并辅以相应先进测量手段等确保工件加工精度。
加工设备选用加工精度很高的加工中心对工件进行铣加工，加工过程中利用设备本身定位精度参照定位基准对坡口等关键尺寸进行时时定位。瓜瓣部分尺寸如钝边宽度2mm和弦长可以采用卡尺等直接测量，其它尺寸可以在加工到净尺寸余量1mm左右时对瓜瓣采用先进的三坐标测量仪进行测量，根据测量结果再次进行加工，以确保加工精度。
大型钛合金曲面构件瓜瓣的机加工方案如下：
1）对瓜瓣划线，给出粗加工余量。
2）以同一半径尺寸加工瓜瓣外球面和工装球面。
3）工装装卡瓜瓣进行粗加工。
4）在瓜瓣4个角的小范围区域内加工出4个定位基准。
5）半精加工至单边余量1mm左右，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
6）三坐标测量仪检测瓜瓣各尺寸。
7）根据三坐标测量结果进行瓜瓣精加工，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
8）三坐标测量仪终检。
采用本发明所述的大型钛及钛合金构件机加工工艺方法制造的球壳瓜瓣完全满足设计图纸的各尺寸指标要求。本发明与传统机加工工艺方法的机加工精度对比如表1所示。
表1：本发明与传统机加工工艺方法精度对比。
由表1可见，本发明机加工方法精度比传统机加工方法的精度大大提高。传统机加工方法装配后尺寸偏差过大，例如钝边错边量达3mm，大于钝边宽度2mm，将无法满足后续6个瓜瓣的焊接要求。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本发明已应用于Φ2200mm规格的Ti80钛合金半球壳的制造。此种半球壳分6个瓜瓣单独加工，然后再组装、焊接而成。
该钛合金曲面构件瓜瓣的机加工方案如下：
1）对瓜瓣划线，给出粗加工余量。
2）以同一半径尺寸加工瓜瓣外球面和工装球面。
3）工装装卡瓜瓣进行粗加工。
4）在瓜瓣4个角的小范围区域内加工出4个定位基准。
5）半精加工至单边余量1mm，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
6）三坐标测量仪检测瓜瓣各尺寸。
7）根据三坐标测量结果进行瓜瓣精加工，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
8）三坐标测量仪终检。
Ti80合金瓜瓣单个精加工和6个组装后主要尺寸实测数据如表2所示，测试结果完全满足设计公差要求。
表2：Ti80合金瓜瓣单个精加工和6个组装后实测尺寸。
实施例2：
本发明已应用于Φ2800mm规格的TC4钛合金球冠封头的制造。此种球冠封头分6个瓜瓣单独加工，然后再组装、焊接而成。
该钛合金曲面构件椭圆封头的机加工方案如下：
1）对瓜瓣划线，给出粗加工余量。
2）以同一半径尺寸加工瓜瓣外表面和工装面。
3）工装装卡瓜瓣进行粗加工。
4）在瓜瓣4个角的小范围区域内加工出4个定位基准。
5）半精加工至单边余量1mm，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
6）三坐标测量仪检测瓜瓣各尺寸。
7）根据三坐标测量结果进行瓜瓣精加工，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制进刀量等参数。
8）三坐标测量仪终检。
TC4钛合金瓜瓣单个精加工和6个组装后主要尺寸实测数据如表3所示，测试结果完全满足设计公差要求。
表3：TC4合金瓜瓣单个精加工和6个组装后实测尺寸。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.大型钛及钛合金曲面构件的机加工工艺方法，其特征在于：所述曲面构件为半球壳的1/6瓜瓣，所述机加工工艺方法包含以下步骤：
步骤一、结合瓜瓣曲面结构特点，制作专用工装，然后将瓜瓣与工装装卡；所述工装与瓜瓣外球面接触，二者接触部分均为球面，工装接触面与外球面以相同半径尺寸进行加工；
步骤二、在球壳加工余量部位选择小范围区域内加工出规则平面作为基准平面，加工定位基准选择方法为：
在内球面加工余量部位选取加工定位基准，即在瓜瓣4个尖角附近的内球面上加工出4个定位基准；
所述小范围区域在粗加工后选取，然后在精加工过程中给予保留，最后在其他所有尺寸加工到位合格的情况下再加工；
步骤三、结合工装、定位基准，利用设备本身加工精度、定位精度并辅以相应测量手段确保工件加工精度；
所述机加工工艺方法，具体方案如下：
1）对瓜瓣划线，给出粗加工余量；
2）以同一半径尺寸加工瓜瓣外球面和工装球面；
3）工装装卡瓜瓣进行粗加工；
4）在瓜瓣4个角的小范围区域内加工出4个定位基准；
5）半精加工至单边余量1mm，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制包括进刀量在内的各参数；
6）三坐标测量仪检测瓜瓣各尺寸；
7）根据三坐标测量结果进行瓜瓣精加工，加工过程中时时根据4个定位基准定位刀具位置，合理控制包括进刀量在内的各参数；
8）三坐标测量仪终检。
2.根据权利要求1所述的机加工工艺方法，其特征在于：在步骤三加工过程中利用设备本身定位精度参照定位基准对关键尺寸进行时时定位；瓜瓣包括钝边宽度和弦长在内的部分尺寸采用卡尺直接测量，其它尺寸在加工到净尺寸余量1mm时对瓜瓣采用三坐标测量仪进行测量，根据测量结果再次进行加工。
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