[發明專利]一種鈦合金球殼的高精度機加工變形控制方法

有效

• 申請號: 201110308342.6
• 申請日: 2011-10-13
• 公開（公告）號: CN102335754A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 孫建剛;呂逸帆;楊瑞
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七二五研究所
• 主分類號: B23B5/00
• 分類號: B23B5/00;B23P25/00
• 代理公司: 洛陽市凱旋專利事務所 41112
• 代理人: 王自剛

技術領域

本發明涉及一種有色金屬加工技術，特別是一種大直徑壁厚比鈦合金球殼的高精度機加工變形控制方法。

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背景技術

鈦合金是一種新型結構材料，它具有優異的綜合性能，如密度小，比強度和比斷裂韌性高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優異^[1]。因此，它在航空、航天、化工和造船等行業得到了越來越多的應用。我國船用鈦合金的研究與應用起始于上世紀60年代，幾十年來，已形成較完整的船用鈦合金系列，能滿足水面艦艇、水下潛艇和深潛器的不同強度級別的要求并適用于其不同部位^[2]。

該大直徑壁厚比鈦合金球殼結構特殊，加工精度要求高。鈦合金彈性模量和導熱系數都較低，且變形后回彈情況比較嚴重，這些都使鈦合金機加工變形控制的難度增大。機加工此類大直徑壁厚比工件時,傳統方法都是裝卡完成后直接加工到位。這樣的加工過程會因為加工時的應力殘余而使工件變形，而且切削過程中車刀擠壓工件產生的工件彈性變形也會導致最終的加工變形，從而很難滿足真球度和壁厚差等機加工技術要求，致使成品率降低。據統計，按照傳統的機加工方法，該類大直徑壁厚比工件的機加工成品率只有65%左右。本發明中的大直徑薄壁鈦合金球殼直徑達到500mm，但壁厚只有9mm，該鈦合金球殼在機加工中要求完成加工的球殼整體容差不得超過名義半徑的0.5%，壁厚差不超過0.3mm，加工難度很大。而本發明中所提供的控制變形方法可使該類型工件質量達到并優于設計方提出的加工精度要求，且對同類型工件的加工成品率達到了100%，該高精度機加工變形控制方法可廣泛應用于艦船用高壓氣瓶、航空用高壓氣瓶和耐壓球殼等高精度耐壓產品上。

鈦合金由于具有耐蝕性優異、美觀、質輕、熱膨脹系數低、絕熱性好等優點，成為國防建設領域最具競爭力的金屬材料^[3]。近年來，隨著我國綜合國力的不斷增強，鈦合金的使用量與日俱增。鈦合金受到越來越多行業的青睞，對鈦合金構件的加工精度要求也越來越高。因此，有必要對鈦合金精密機加工成形過程中存在的的變形控制問題進行研究，促進其在各行各業發揮更多的作用，滿足我國國防建設和國民經濟建設對鈦合金日益增長的需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種鈦合金球殼的高精度機加工變形控制方法，通過合理的機加工工藝，配合合適的刀具和冷卻液，在鈦合金耐壓球殼等高精度耐壓產品的機加工成型過程中很好的控制加工變形。

為了實現解決上述技術問題的目的，本發明采用了如下技術方案：

本發明的一種鈦合金球殼的高精度機加工變形控制方法，鈦合金球殼為大直徑壁厚比，工藝路線如下：

一、粗加工：

根據圖紙，將結束沖壓的半球殼粗加工到單邊2~5mm；整個機加工過程中，選取赤道部分的直邊段小平面作為基準；粗加工先車外圓；車外圓時由于球殼壁厚較厚，故無需使用防變形工裝；粗加工內球殼時，在外球殼上點焊一圓筒做為裝卡工裝，圓筒的直徑200mm~300mm，長度在100mm~200mm之間；切削時使用刀具幾何參數為：刀具前角γ₀取5°~15°、后角α₀≥15°、主偏角Kr和負偏角K’r分別取30°~45°和10°~15°，刃傾角λs取3°~5°，切削時采用較低的切削速度，控制鈦合金的切削時溫度不應超過550℃；由于高速鋼的耐熱性差，切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發，選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，優選YG類硬質合金制作的刀具，例如YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15刀具等。

二、第一次消應力熱處理：退火在真空熱處理爐中進行，退火時間約為2～4小時，退火溫度在600℃到900℃之間。

消應力熱處理是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備；

球殼在粗加工完成后，其表層因為存在殘余應力而處于一種極不穩定的狀態，一旦其內應力的平衡條件被打破，內應力的分布就會發生變化，從而引起新的變形，影響加工精度。甚至當里層的拉應力值超過工件材料的疲勞強度極限時，工件表面會產生裂紋，加速工件的損壞；

為了消除殘留在工件內部的組織應力，應對該驗證球球殼進行去應力退火。退火在真空熱處理爐中進行，退火時間約為2～4小時，退火溫度在600℃到900℃之間；

三、半精加工：