专利名称：一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法
技术领域：
本发明涉及一种有色金属加工技术，特别是一种大直径壁厚比钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法。
背景技术：
钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异[1]。因此，它在航空、 航天、化工和造船等行业得到了越来越多的应用。我国船用钛合金的研究与应用起始于上世纪60年代，几十年来，已形成较完整的船用钛合金系列，能满足水面舰艇、水下潜艇和深潜器的不同强度级别的要求并适用于其不同部位[2]。该大直径壁厚比钛合金球壳结构特殊，加工精度要求高。钛合金弹性模量和导热系数都较低，且变形后回弹情况比较严重，这些都使钛合金机加工变形控制的难度增大。机加工此类大直径壁厚比工件时，传统方法都是装卡完成后直接加工到位。这样的加工过程会因为加工时的应力残余而使工件变形，而且切削过程中车刀挤压工件产生的工件弹性变形也会导致最终的加工变形，从而很难满足真球度和壁厚差等机加工技术要求，致使成品率降低。据统计，按照传统的机加工方法，该类大直径壁厚比工件的机加工成品率只有 65%左右。本发明中的大直径薄壁钛合金球壳直径达到500mm，但壁厚只有9mm，该钛合金球壳在机加工中要求完成加工的球壳整体容差不得超过名义半径的0. 5%，壁厚差不超过 0. 3mm，加工难度很大。而本发明中所提供的控制变形方法可使该类型工件质量达到并优于设计方提出的加工精度要求，且对同类型工件的加工成品率达到了 100%，该高精度机加工变形控制方法可广泛应用于舰船用高压气瓶、航空用高压气瓶和耐压球壳等高精度耐压产
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ρπ-Co钛合金由于具有耐蚀性优异、美观、质轻、热膨胀系数低、绝热性好等优点，成为国防建设领域最具竞争力的金属材料ω。近年来，随着我国综合国力的不断增强，钛合金的使用量与日俱增。钛合金受到越来越多行业的青睐，对钛合金构件的加工精度要求也越来越高。因此，有必要对钛合金精密机加工成形过程中存在的的变形控制问题进行研究，促进其在各行各业发挥更多的作用，满足我国国防建设和国民经济建设对钛合金日益增长的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，通过合理的机加工工艺，配合合适的刀具和冷却液，在钛合金耐压球壳等高精度耐压产品的机加工成型过程中很好的控制加工变形。为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案
本发明的一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，钛合金球壳为大直径壁厚比，工艺路线如下 一、粗加工
根据图纸，将结束冲压的半球壳粗加工到单边2 5mm;整个机加工过程中，选取赤道部分的直边段小平面作为基准；粗加工先车外圆；车外圆时由于球壳壁厚较厚，故无需使用防变形工装；粗加工内球壳时，在外球壳上点焊一圆筒做为装卡工装，圆筒的直径 200mnT300mm，长度在100mnT200mm之间；切削时使用刀具几何参数为刀具前角Y。取 5° 15°、后角aQ彡15°、主偏角Kr和负偏角K，r分别取30° 45°和10° 15°，刃倾角λ s取3° 5°，切削时采用较低的切削速度，控制钛合金的切削时温度不应超过550°C; 由于高速钢的耐热性差，切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，优选YG类硬质合金制作的刀具，例如 YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T 和 YD15 刀具等。二、第一次消应力热处理退火在真空热处理炉中进行，退火时间约为2 4小时， 退火温度在600°C到900°C之间。消应力热处理是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备；
球壳在粗加工完成后，其表层因为存在残余应力而处于一种极不稳定的状态，一旦其内应力的平衡条件被打破，内应力的分布就会发生变化，从而引起新的变形，影响加工精度。甚至当里层的拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，工件表面会产生裂纹，加速工件的损坏；
为了消除残留在工件内部的组织应力，应对该验证球球壳进行去应力退火。退火在真空热处理炉中进行，退火时间约为2 4小时，退火温度在600°C到900°C之间；
三、半精加工
第一次去应力退火完成后，对球壳进行半精加工，加工至单边0. 5^2mm,半精加工的装卡工装与粗加工时相同；
四、第二次消应力热处理在真空热处理炉中进行，退火时间约为2 4小时，退火温度在600°C到900°C之间。半精加工结束后，在真空退火炉中对球壳进行第二次消应力退火，以消除在半精加工中产生的残余应力，热处理制度较第一次有所改变，在真空热处理炉中进行，退火时间为2 4小时，退火温度在600°C到900°C之间。五、精加工
二次去应力退火后，将验证球最终精加工到位，在精车外球面之前，在球壳内球面直边段处点焊一个与球壳内径相同的圆板做为防变形工装，先将外球壳精加工到位，最后加工内球壳到位，制备得到所需产品。这是由于精加工时，由于半球壳最终尺寸只有9mm，在精车外球面之前，在球壳内球面直边段处点焊一个与球壳内径相同的圆板做为防变形工装，可以防止刀具对壁厚薄、 直径大的验证球半球壳产生挤压变形而导致机加工变形。粗加工内球壳时，在外球壳上点焊一圆筒做为装卡工装，是为了克服球壳直径较大，难以夹持的技术问题。
切削时采用较低的切削速度，由于钛合金在600°C以上时容易产生氧化皮，故切削时温度不应超过550°C。粗加工内球壳时，在外球壳上点焊的圆筒，优选的圆筒直径200mnT300mm，长度在 100mnT200mm 之间。本专利所称的大直径壁厚比钛合金球壳，其直径在300mm以上，直径为壁厚20倍以上。通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果
本发明所述的钛合金球壳机加工变形控制方法，通过运用分阶段加工和多次去应力热处理的加工工艺，成功的解决了该类钛合金工件在机加工成型过程中的变形问题。所加工出来的钛合金验证球球壳平均壁厚差小于0. 2mm (设计要求公差0 0. 8mm)，壁厚差最小的控制在了 0. Imm以内(如图2)，达到了很高的加工精度。同时，该发明对同类型的大直径壁厚比工件的机加工方法具有很好的指导作用，采用分阶段加工和多次去应力热处理，有效的减少了因为材料弹性模量低和散热慢而引起的刀具挤压产生弹性变形等影响加工精度的因素，使得钛合金大直径壁厚比工件的精确机加工成形得以实现，减少了后期处理的难度与工作量，同时使得在一般的数控车床上就可以得到加工精度更高的该类工件，节约了加工成本。本发明解决了大直径薄壁钛合金球壳机加工的变形问题，并节约了生产成本， 起到了对同类工件机加工的指导意义，收获了较好的经济与社会效益。同时，此成型方法加工成型的工件从性能和尺寸上都能达到理想的效果，成品率 100%，适于推广至大规模工业化生产。本发明已成功用于4500米载人潜水器上的实验验证球球壳、Φ600耐压球球壳和某型号航空气瓶的研制，效果理想，很好的解决了钛合金机加工成型过程中的变形问题。同时，该发明还推动了我国钛合金深加工行业技术的发展，促进了我国钛合金在生产实践上的应用。在4500米深潜器项目中，成功加工了耐压球壳1 :1模拟样件，成品率提高了 40%以上。
图1是一种钛合金半球壳示意图。
具体实施例方式实施例1
以材料TC4冲压件作为坯料机加工内径600mm，壁厚IOmm的钛合金球壳。加工精度要求壁厚差为士0. 8m，球壳的整体圆度容差不得大于名义半径的0. 5%。该钛合金球壳的机加工方案如下
1、先对冲压完成的球壳进行热处理，热处理温度950°C，时间2小时；
2、对冲压件坯料划线，给出粗加工余量；
3、先粗加工外球面，外球面加工到位后在外球面焊接筒形装卡工装，圆筒直径250mm， 长度150mm ；
4、粗加工内球面；
5、去应力热处理，热处理温度780°C，时间4小时；
6、半精加工，半精加工至单边余量0.8mm，工装与粗加工内球面工装相同；7、去应力热处理，热处理温度650°C，时间2小时；
8、制作与球壳同内径圆板并焊接至球壳直边段，精加工外球壳；
9、精加工内球壳；
10、三坐标测量仪检测球壳各尺寸。经过三坐标终检，各尺寸均满足机加工要求。实施例2
以材料TC4冲压件作为坯料机加工内径500mm，壁厚9mm的钛合金耐压球壳。该钛合金球壳的机加工方案如下
1、对冲压件坯料划线，给出粗加工余量；
2、先粗加工外球面，外球面加工到位后在外球面焊接筒形装卡工装，圆筒直径^Omm, 长度170mm ；
3、粗加工内球面，粗加工至内外球壳2mm余量；
4、去应力热处理，热处理温度650°C，时间3小时；
5、半精加工，半精加工至单边余量0.5mm，工装与粗加工内球面工装相同；
6、去应力热处理，热处理温度650°C，时间3小时；
7、制作与球壳同内径圆板并焊接至球壳直边段，精加工外球壳；
8、精加工内球壳；
9、三坐标测量仪检测球壳各尺寸。经过三坐标终检，各尺寸均满足要求，已交付设计方并投入使用。本发明加工成型产品满足设计单位设计要求。
权利要求
1.一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，钛合金球壳为大直径壁厚比，工艺路线如下一、粗加工根据图纸，将结束冲压的半球壳粗加工到单边2 5mm;整个机加工过程中，选取赤道部分的直边段小平面作为基准；粗加工先车外圆；车外圆时由于球壳壁厚较厚，故无需使用防变形工装；粗加工内球壳时，在外球壳上点焊一圆筒做为装卡工装，圆筒的直径 200mnT300mm，长度在100mnT200mm之间；切削时使用刀具几何参数为刀具前角Y。取 5° 15°、后角aQ彡15°、主偏角Kr和负偏角K，r分别取30° 45°和10° 15°，刃倾角λ s取3° 5°，切削时采用较低的切削速度，控制钛合金的切削时温度不应超过550°C; 切削加工钛合金选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料；二、第一次消应力热处理退火在真空热处理炉中进行，退火时间约为2 4小时，退火温度在600°C到900°C之间；三、半精加工第一次去应力退火完成后，对球壳进行半精加工，加工至单边0. 5 2mm，半精加工的装卡工装与粗加工时相同；四、第二次消应力热处理在真空热处理炉中进行，退火时间约为2 4小时，退火温度在600°C到900°C之间；五、精加工二次去应力退火后，将验证球最终精加工到位，在精车外球面之前，在球壳内球面直边段处点焊一个与球壳内径相同的圆板做为防变形工装，先将外球壳精加工到位，最后加工内球壳到位，制备得到所需产品。
2.根据权利要求1所述钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，其特征是所述的红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料为YG类硬质合金制作的刀具。
3.根据权利要求1所述钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，其特征是所述的刀具材料为 YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T 和 YD15 刀具。
4.根据权利要求1所述钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，其特征是所述的粗加工内球壳时的装卡工装圆筒直径200mnT300mm，长度在100mnT200mm之间。
全文摘要
本发明介绍了一种钛合金球壳的高精度机加工变形控制方法，包括粗加工、第一次消应力热处理、半精加工、半精加工、第二次消应力热处理、精加工。精加工时，需为半球壳的精加工设计专用的防变形工装。本发明通过分阶段加工和多次去应力热处理的加工工艺，很好的解决了钛合金机加工成型过程中的变形问题，成品率达到100%，质量达到了设计要求。本发明解决了大直径薄壁钛合金球壳机加工的变形问题，并节约了生产成本；成型方法加工成型的工件从性能和尺寸上都能达到理想的效果，成品率100%，适于推广至大规模工业化生产；很好的解决了钛合金机加工成型过程中的变形问题。
文档编号B23B5/00GK102335754SQ20111030834
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者吕逸帆, 孙建刚, 杨瑞 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所