CN113601108B - 一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，包括如下步骤：根据双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的具体结构及尺寸，设计增加工艺翻边及加工余量后的毛坯结构；采用合模冲压成形方式加工毛坯；采用数控加工中心加工毛坯的工艺翻边，作为后续装夹固定的基准；装夹壳体毛坯，车削加工壳体的内型面和工艺翻边的下平面，形成中间态壳体；装夹中间态壳体，车削加工壳体的外型面；装夹壳体的顶部，车削加工壳体的对接止口并切断，完成钛合金薄壁壳体的全部精加工。本发明中加工方法有效解决了这种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体难装夹、壁薄、加工过程中易振动变形的难题，实现了钛合金薄壁壳体的精密加工。

Description

一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，特别涉及一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法。

背景技术

目前，在商业航天领域，随着各类飞行器、推进器以及燃料舱对机动性、负载能力、最大容量的要求越来越高，其结构也对轻量化、高强度提出了更高的要求。变厚度钛合金薄壁壳体由于其材料属性以及变厚度的结构特点，重量轻、强度高，已越来越多的应用到航空航天领域。

然而由于该类零件集合了变厚度、超薄壁、高精度等难点，加工难度较大，同时由于该类零件双面大开口的结构特点，进一步降低了零件的结构刚度，加工过程中易变形，加工工艺性较差。因此，该类变厚度薄壁钛合金壳体的加工工艺性难题一直困扰着其在航空航天领域的大规模推广应用。

发明内容

本发明针对该类双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体易变形、加工难度大、壁厚精度高等难题，提供了一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，该方法可有效控制该类薄壁壳体在加工过程中的振动和变形，有效解决了这种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体难装夹、壁薄、加工过程中易振动变形的难题，实现了该种钛合金薄壁壳体的精密加工。

本发明提供的技术方案如下：

一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，包括如下步骤：

步骤1，根据双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的具体结构及尺寸，设计增加工艺翻边及加工余量后的毛坯结构；所述双面大开口薄壁壳体为类球面结构，所述类球面结构的小端加工有开口结构，大端为类球面外缘形成的开口；所述毛坯结构中的工艺翻边为环形平板结构；毛坯结构中的薄壁壳体主体结构与工艺翻边之间添加倒圆角过渡，并在薄壁壳体主体结构外缘与倒圆角之间增加直线段工艺延长量；

步骤2，根据步骤1设计的毛坯结构，采用合模冲压成形方式加工毛坯；

步骤3，采用数控加工中心加工毛坯的工艺翻边，包括加工工艺翻边的上平面、下平面及外圆面，作为后续装夹固定的基准，同时在工艺翻边上加工出用于装夹固定的通孔；

步骤4，装夹壳体毛坯，车削加工壳体的内型面和工艺翻边的下平面，形成中间态壳体；

步骤5，装夹步骤4形成的中间态壳体，车削加工壳体的外型面；

步骤6，装夹壳体的顶部，车削加工壳体的对接止口并切断，完成钛合金薄壁壳体的全部精加工。

根据本发明提供的一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，具有以下有益效果：

本发明面对双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体易变形、加工难度大、壁厚精度高等难题，提供了一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，通过增加工艺翻边设计、基准转移设计以及采用特定的加工工艺，可有效控制该类薄壁壳体在加工过程中的振动和变形，有效解决了这种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体难装夹、壁薄、加工过程中易振动变形的难题，实现了钛合金薄壁壳体的精密加工。

附图说明

图1为双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的结构示意图；

图2为设计的增加工艺翻边以及加工余量后的毛坯结构的示意图；

图3为中间态壳体以及工艺翻边等特征的示意图；

图4为壳体对接止口的部位示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，包括如下步骤：

步骤1，根据双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的具体结构及尺寸，如图1所示，设计增加工艺翻边及加工余量后的毛坯结构，如图2所示。

在一种实施方式中，所述双面大开口薄壁壳体为类球面结构，所述类球面结构的小端加工有开口结构，大端为类球面外缘形成的开口(对接止口)。

所述双面大开口薄壁壳体的材质为TC4或TA15系钛合金。

所述双面大开口薄壁壳体的大端开口外径尺寸为400～800mm，小端开口外径尺寸为50～300mm，壳体高度为200～280mm。

所述双面大开口薄壁壳体的壁厚变化范围介于1～3mm之间，存在自大端至小端逐渐增厚或减薄，或者两端厚中间薄，或者两端薄中间厚，或者局部变厚度等形式。

在一种实施方式中，所述毛坯结构在内外型面均留有加工余量。

在一种实施方式中，如图3所示，所述毛坯结构中，薄壁壳体主体结构与工艺翻边之间添加倒圆角R15～R25过渡，并在薄壁壳体主体结构外缘与倒圆角之间增加8～15mm的直线段工艺延长量，工艺延长量的设置一方面便于精加工对接止口及后续切断，另一方面利于减小圆角过渡带来的褶皱，同时便于类球面内径的尺寸测量。其中，薄壁壳体主体结构是指对应结构件双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的毛坯部分。

在一种实施方式中，所述工艺翻边为环形平板结构，用于薄壁壳体内外型面加工时的装夹固定和基准传递；工艺翻边的厚度介于6～10mm之间，保证零件刚度的同时尽量减小厚度，减少加工余量。

步骤2，根据步骤1设计的毛坯结构，采用合模热冲压成形方式加工毛坯，加工后的毛坯如图2所示。

在一种实施方式中，所述合模热冲压成形采用成形凹模和成形凸模实施，所述成形凹模具有与毛坯结构外型面一致的凹面结构，用于成形壳体毛坯结构的外型面；所述成形凸模具有与毛坯结构内型面一致的凸面结构，用于成形毛坯结构的内型面。合模热冲压成形方式及成形凹模和成形凸模，实现了毛坯结构的准确成形，保证了薄壁壳体结构的初步精度。

在一种实施方式中，所述合模热冲压成形的工艺方法为：根据毛坯的材料特性，考虑其塑性变形的临界点，首先对采用的成形凹模和成形凸模进行预热和保温，预热至550-700℃，保温0.5-2h；由于壳体零件的高度较高，采用平板热冲压成形时，纵深较深，如果采用一次冲压成形，易出现拉裂、褶皱、或内部孔洞等问题，经过大量的试验，确定采用两道次热冲压成形，第一次热冲压纵深深度过半即可，550-700℃保温0.5～1h，然后再进行第二次热冲压，至所需毛坯壳体尺寸，550-700℃保温10～30min。两道次热冲压成形后，毛坯结构未出现拉裂、褶皱、或内部孔洞等问题，与对平板热冲压成形的过程的模拟仿真提供的成形方式及结果吻合。

步骤3，采用数控加工中心加工毛坯的工艺翻边，作为后续装夹固定的基准。

在一种实施方式中，所述加工毛坯的工艺翻边，包括加工工艺翻边的上平面、下平面及外圆面，同时在工艺翻边上加工出用于装夹固定的通孔。

在一种实施方式中，在加工毛坯的工艺翻边时，工艺翻边的上下平面厚度去除量不超过剩余厚度的1/5，在保证工艺翻边上下平面的平面度的同时，最大化的加强工艺翻边的结构强度；在加工工艺翻边的外圆面时，需根据毛坯结构的内球面进行找正，保证加工后的工艺翻边外圆面和零件毛坯的内球面同轴，即完成了将毛坯结构内球面的基准传递到了工艺翻边的外圆面上。

步骤4，装夹壳体毛坯，车削加工壳体的内型面和工艺翻边的下平面，形成中间态壳体。

在一种实施方式中，采用第一装夹工装装夹壳体毛坯，所述第一装夹工装具有固定毛坯结构工艺翻边的环形壳体结构，所述环形壳体结构包括环形平面结构及位于环形平面结构边缘的环形圈，所述环形平面结构用于与工艺翻边的上平面配合，所述环形圈用于与工艺翻边的外圆面配合，通过穿设第一装夹工装环形壳体结构及工艺翻边的螺纹连接件，将两者固定。

进一步地，所述第一装夹工装的环形平面结构的型面与毛坯结构工艺翻边的上平面的平面度均优于0.05。

在一种实施方式中，所述车削加工壳体的内型面的工艺方法为：根据工艺翻边的外圆面找正，同步连续车削加工工艺翻边的下平面、倒圆角、工艺延长量、以及壳体的内型面，由于壳体内型面为空间型面，尺寸不易测量，因此通过“一刀成型”的方法将工艺翻边的下平面、倒圆角、工艺延长量和壳体内型面连续加工成型。其中，下平面车削时仅车削加工靠内侧的环面，使下平面靠内侧环面的边缘形成内缘线，将壳体内型面的精确基准转移到工艺翻边的下平面内缘线和工艺延长量上，通过测量工艺翻边下平面的内缘线和工艺延长量的尺寸即可反映壳体内型面的尺寸，能更准确的保证零件的尺寸精度。

步骤5，装夹步骤4形成的中间态壳体，车削加工壳体的外型面。

在一种实施方式中，采用第二装夹工装装夹步骤4形成的中间态壳体，所述第二装夹工装具有固定毛坯结构工艺翻边的平面壳体结构、以及支撑壳体内型面的凸模结构，分别用于与工艺翻边的下平面以及壳体的内型面配合，并通过穿设第二装夹工装壳体平面结构及工艺翻边的螺纹连接件，将两者固定。

进一步地，所述第二装夹工装的平面壳体结构的型面与毛坯结构工艺翻边的下平面的平面度均优于0.05。

在一种实施方式中，所述车削加工壳体的外型面的工艺方法为：通过步骤4加工的工艺翻边的下平面内缘线找正壳体，根据壳体外型面的曲线轮廓，编制壳体外型面的数控车削程序，进而精确加工壳体的外型面。通过工艺翻边的下平面内缘线，将壳体内型面的基准精确传递到了壳体的外型面，进而保证了壳体内外型面较高的空间位置精度。同时，车削加工壳体的外型面时，需严格控制切削参数，减小切削量，以防止壳体在加工过程中由于壁薄而发生的弹性“让刀”现象，车床主轴转速设置为不超过50r/min，径向进给量每刀不超过0.2mm，同时在加工最后数刀时，每次切削过后均采用超声波壁厚仪逐点测量壳体的壁厚，并和设计要求的理论值进行比对，根据壁厚和理论精度的差值，适当调整补偿下一刀的进给量，以保证壳体最终的壁厚精度要求。

步骤6，装夹壳体的顶部，车削加工壳体的对接止口(如图4所示)并切断，完成钛合金薄壁壳体的全部精加工。

在一种实施方式中，采用第三装夹工装装夹壳体的顶部，所述第三装夹工装具有固定壳体小端外型面的曲面结构，用于与壳体小端的外型面配合，并通过穿设第三装夹工装和第二装夹工装的螺纹连接件，将第三装夹工装、壳体与第二装夹工装固定在一起。通过该第三装夹工装，将壳体小端稳固的固定在第二装夹工装上，在车削加工壳体的对接止口并切断时，能够保证壳体的稳固支撑，不会因为切断而掉落或者振动，导致止口破坏或尺寸超差。

在一种实施方式中，所述车削加工壳体的对接止口的工艺方法为：由于壳体对接止口的宽度不大于2mm，非常窄，市面上少有宽度小于2mm的刀片，需要特殊定制极窄的刀具，并且由于刀具极窄，刚性较弱，同时由于钛合金材料的难切削性，加工精度较差，在加工壳体对接止口时，由于预先设置了8-15mm的工艺延长量，故加工对接止口时，可以将对接止口的加工宽度加宽，宽度大于2mm的部分落在工艺延长量上，对接止口加工完毕之后，再从2mm处将壳体零件切断，保证对接止口宽度2mm的同时，大幅提高了对接止口的加工精度和效率。

实施例

实施例1

所选试验零件为商业航天某型飞行器的助推器壳体，该壳体材料为TC4钛合金，产品整体呈半球形，双面大开口，其壁厚变化范围为1.3～2.4mm，大端附近壁厚2.4mm，中间部位壁厚1.3mm，小端附近壁厚1.8mm，连接段壁厚均匀过渡，大端外径尺寸为

对接止口外径尺寸为

对接止口宽度1.9mm，球顶端开口径为

壳体高度约240mm，具体加工方法如下：

(1)根据所需TC4钛合金薄壁壳体的具体结构及尺寸，设计增加工艺翻边以及加工余量后的毛坯结构，该毛坯结构在壳体的内外型面均留有1.5mm加工余量，工艺翻边为宽50mm厚8mm的平板结构，薄壁壳体结构与工艺翻边之间添加倒圆角R23mm过渡，以及10mm长的直线段工艺延长量。

(2)根据设计的毛坯结构，采用合模热冲压成形的方法加工出毛坯。所述合模热冲压成形的工艺方法为：首先对采用的成形凹模和成形凸模进行预热和保温，预热至550℃，保温1h；采用两道次热冲压成形，第一次热冲压纵深深度至140mm，然后在550℃保温0.5h，再进行第二次热冲压，至所需毛坯壳体尺寸，在550℃保温10min。

(3)采用数控加工中心加工毛坯的工艺翻边，作为后续装夹固定的基准。加工毛坯的工艺翻边，包括加工工艺翻边的上平面、下平面及外圆面，工艺翻边的上下平面厚度去除量不超过剩余厚度的1/5，同时在工艺翻边上加工出两圈

的用于装夹固定的通孔，工艺翻边的上下平面的平面度优于0.05。

(4)采用第一装夹工装装夹壳体毛坯，车削加工壳体的内型面和工艺翻边的下平面、以及倒圆角和工艺延长量，“一刀成型”，形成中间态壳体。所述车削加工壳体的内型面的工艺方法为：以工艺翻边的外圆面找正，同步连续车削加工工艺翻边的下平面、倒圆角、工艺延长量以及壳体的内型面，对于下平面仅车削加工内环面，加工边缘形成内缘线，通过测量工艺翻边下平面和工艺延长量的尺寸即可反应壳体内型面的尺寸，能更准确的保证零件的尺寸精度。

(5)采用第二装夹工装装夹中间态壳体，车削加工壳体的外型面。所述车削加工壳体的外型面的工艺方法为：通过工序(4)加工的工艺翻边的下平面内缘线找正壳体，根据壳体外型面的曲线轮廓，编制壳体外型面的数控车削程序，进而精确加工壳体的外型面。通过工艺翻边的下平面内缘线，将壳体内型面的基准精确传递到了壳体的外型面，进而保证了壳体内外型面较高的空间位置精度。车削加工壳体的外型面时，需严格控制切削参数，减小切削量，车床主轴转速设置在40r/min，径向进给量每刀0.2mm，同时在加工最后三刀时，每次切削过后均采用超声波壁厚仪逐点测量壳体的壁厚，并和设计要求的理论值进行比对，根据壁厚和理论精度的差值，适当调整补偿下一刀的进给量，以保证壳体最终的壁厚精度要求在±0.03mm之内。

(6)采用第三装夹工装装夹壳体的顶部，车削加工壳体的对接止口并切断，完成TC4钛合金薄壁壳体的全部精加工。所述车削加工壳体的对接止口的工艺方法为：加工对接止口时，将对接止口的宽度加宽，对接止口宽度1.9mm按4.9mm加工，让宽度大于1.9mm的3mm加宽部分落在工艺延长量上，对接止口加工完毕之后，再从1.9mm的边缘处将壳体零件切断，保证对接止口宽度1.9mm的同时，大幅提高了对接止口的加工精度和效率。

经上述方法加工的双面大开口变厚度TC4钛合金薄壁壳体，经检验，壳体的壁厚尺寸均满足2.4±0.03、1.3±0.03、1.8±0.03mm的精度要求，对接止口尺寸满足

(0，-0.1)mm，1.9±0.05mm的对接精度要求。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的具体结构及尺寸，设计增加工艺翻边及加工余量后的毛坯结构；所述双面大开口薄壁壳体为类球面结构，所述类球面结构的小端加工有开口结构，大端为类球面外缘形成的开口；所述毛坯结构中的工艺翻边为环形平板结构；毛坯结构中的薄壁壳体主体结构与工艺翻边之间添加倒圆角过渡，并在薄壁壳体主体结构外缘与倒圆角之间增加直线段工艺延长量；

步骤2，根据步骤1设计的毛坯结构，采用合模热冲压成形方式加工毛坯；

步骤3，采用数控加工中心加工毛坯的工艺翻边，包括加工工艺翻边的上平面、下平面及外圆面，作为后续装夹固定的基准，同时在工艺翻边上加工出用于装夹固定的通孔；

步骤4，装夹壳体毛坯，车削加工壳体的内型面和工艺翻边的下平面，形成中间态壳体；所述车削加工壳体的内型面的工艺方法为：根据工艺翻边的外圆面找正，同步连续车削加工工艺翻边的下平面、倒圆角、工艺延长量、以及壳体的内型面，其中下平面车削时仅车削加工靠内侧的环面，使下平面靠内侧环面的边缘形成内缘线，将壳体内型面的精确基准转移到工艺翻边的下平面内缘线和工艺延长量上；

步骤5，装夹步骤4形成的中间态壳体，车削加工壳体的外型面；

步骤6，装夹壳体的顶部，车削加工壳体的对接止口并切断，完成钛合金薄壁壳体的全部精加工。

2.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤1中，所述双面大开口薄壁壳体的大端开口外径尺寸为400~800mm，小端开口外径尺寸为50~300mm，壳体高度为200~280mm；

所述双面大开口薄壁壳体的壁厚变化范围介于1~3mm之间。

3.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤1中，所述毛坯结构中的薄壁壳体主体结构与工艺翻边之间添加倒圆角R15~R25过渡，并在薄壁壳体主体结构外缘与倒圆角之间增加8~15mm的直线段工艺延长量。

4.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤2中，所述合模热冲压成形采用成形凹模和成形凸模实施，所述成形凹模具有与毛坯结构外型面一致的凹面结构，用于成形壳体毛坯结构的外型面；所述成形凸模具有与毛坯结构内型面一致的凸面结构，用于成形毛坯结构的内型面。

5.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤2中，所述合模热冲压成形的工艺方法为：首先对采用的成形凹模和成形凸模进行预热和保温，预热至550-700℃，保温0.5-2 h；再采用两道次热冲压成形，第一次热冲压纵深深度过半，550-700℃保温0.5~1h，第二次热冲压至所需毛坯壳体尺寸，550-700℃保温10~30min。

6.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤3中，在加工毛坯的工艺翻边时，工艺翻边的上下平面厚度去除量不超过剩余厚度的1/5；

在加工工艺翻边的外圆面时，需根据毛坯结构的内球面进行找正，使加工后的工艺翻边外圆面和毛坯结构的内球面同轴，将毛坯结构内球面的基准传递到工艺翻边的外圆面上。

7.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤4中，采用第一装夹工装装夹壳体毛坯，所述第一装夹工装具有固定毛坯结构工艺翻边的环形壳体结构，所述环形壳体结构包括环形平面结构及位于环形平面结构边缘的环形圈，所述环形平面结构用于与工艺翻边的上平面配合，所述环形圈用于与工艺翻边的外圆面配合，通过穿设第一装夹工装环形壳体结构及工艺翻边的螺纹连接件，将两者固定。

8.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤5中，采用第二装夹工装装夹步骤4形成的中间态壳体，所述第二装夹工装具有固定毛坯结构工艺翻边的平面壳体结构、以及支撑壳体内型面的凸模结构，分别用于与工艺翻边的下平面以及壳体的内型面配合，并通过穿设第二装夹工装壳体平面结构及工艺翻边的螺纹连接件，将两者固定。

9.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，其特征在于，步骤5中，所述车削加工壳体的外型面的工艺方法为：通过步骤4加工的工艺翻边的下平面内缘线找正壳体，根据壳体外型面的曲线轮廓，编制壳体外型面的数控车削程序，加工壳体的外型面。

10.根据权利要求9所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，车削加工壳体的外型面时，车床主轴转速设置为不超过50r/min，径向进给量每刀不超过0.2mm，同时在加工最后数刀时，每次切削过后均采用超声波壁厚仪逐点测量壳体的壁厚，并与设计要求的理论值进行比对，根据壁厚和理论精度的差值，调整补偿下一刀的进给量。

11.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，步骤6中，采用第三装夹工装装夹壳体的顶部，所述第三装夹工装具有固定壳体小端外型面的曲面结构，用于与壳体小端的外型面配合，并通过穿设第三装夹工装和第二装夹工装的螺纹连接件，将第三装夹工装、壳体与第二装夹工装固定在一起。

12.根据权利要求1所述的双面大开口变厚度钛合金薄壁壳体的加工方法，步骤6中，在加工壳体对接止口时，将对接止口的加工宽度加宽，加宽部分落在工艺延长量上，止口加工完毕之后，从加宽部分边缘将壳体零件切断，得到所需宽度对接止口。

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