CN103240575B - 一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，它包括如下步骤：1）粗车毛坯，沿轴线方向将零件用压板压紧，对零件进行粗加工；2）再结晶退火；3）再次粗车齿坯；4）冷热循环；5）半精车齿坯；6）去应力退火；7）辅助工序，对零件其它结构要素彻底加工完成；8）深冷处理；9）齿坯精加工；10）制齿及冷热循环，进行制齿，制齿后，进行2次冷热循环，冷处理温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h后，空冷到室温1.5h后，在恒温箱加热到80～100℃后，保温2.8～3.2h后，空冷到室温，完成精加工。该方法能够消除加工过程中的变形。
Description
技术领域
本发明涉及零件加工领域，特别是一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法。
背景技术
钛合金是高新技术产品不可或缺的关键材料，钛合金材料具有较好的力学、化学、物理综合性能，质轻、密度约为4.54g/cm3，是钢的60%左右，但其比强度（强度/密度）是现代工程结构金属材料中最高的合金。钛合金材料中加入合金强化元素后，热稳定性很高，300??C～350??C条件下其强度比铝合金约高10倍。因而钛合金材料广泛应用于武器装备、航空、航天等领域。
但钛合金切削性能差，是典型的难切削材料。具体表现在导热系数低、弹性模量小、变形系数小、化学活性高、主切削力小背切削力大等方面，不宜制细长轴类和薄壁零件，薄环状零件壁薄，刚性差，难以装夹，在加工过程中极易变形。一般零件，通过选用性能好的刀具，采用通用夹、辅具，增加时效工序等工艺措施即可，但对薄片环状钛合金零件仅采取上述措施是不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，该方法能够消除加工过程中的变形。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，它包括如下步骤：
1）粗车毛坯，沿轴线方向将零件用压板压紧，对零件进行粗加工；
2）再结晶退火，加热温度为740～760℃、保温1.9～2.1h，随炉冷却至150℃后空冷到室温；
3）再次粗车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.01mm内，并对零件各结构要素进行粗加工；
4）冷热循环，先进行低温处理，温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h，空冷到室温1.5h后再进行高温处理，高温处理温度为140～160℃，保温2.8～3.2h，空冷到室温；
5）半精车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.008mm内，并对零件各结构要素进行精加工；
6）去应力退火，加热温度为590～610℃，保温0.9～1.1h，炉冷到150℃后空冷到室温；
7）辅助工序，对零件其它结构要素彻底加工完成；
8）深冷处理，将钛合金零件放入冷冻箱在-195℃液氮，保温1.3～1.7h，空冷到室温；
9）齿坯精加工，使用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.005mm内；
10）制齿及冷热循环，进行制齿，制齿后，进行2次冷热循环，冷处理温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h后，空冷到室温1.5h后，在恒温箱加热到80～100℃后，保温2.8～3.2h后，空冷到室温，完成精加工。
所述的步骤1和步骤3的粗加工阶段，选择涂层刀具，刀片材质是IC907，切削速度100m/min、进给速度0.12mm/r、切削深度0.5～1mm。
所述的步骤5和步骤9的半精车及精车时，选择聚晶金刚石刀具，刀片材质ID5，切削速度200m/min、进给速度0.01mm/r、切削深度0.1～0.15mm。
所述的步骤5半精车齿坯进行两次，两次半精车齿坯后分别进行步骤6的去应力退火。
本发明的有益效果是本薄片环状钛合金高精度齿轮零件的加工方法通过粗加工、结晶退火、冷热循环、去应力退火、精加工等步骤解决了薄片环状钛合金齿轮零件加工变形难题，采用该方法成功加工出0.4mm，厚薄公差0.02mm、平行度0.015mm的光学系统用隔圈，满足了该类高精度零件的加工要求。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明进一步说明；
图1是所加工的薄片环状钛合金齿轮零件结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是图2的剖面图；
图中：1、内孔；2、齿顶圆；3、齿轮槽；4、第一齿轮孔；5、第二齿轮孔；6、环形工艺凸台。
具体实施方式
实施例1
本发明的目的是这样实现的，一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，它包括如下步骤：
1）粗车毛坯，沿轴线方向将零件用压板压紧，对零件进行粗加工；加工过程中禁止使用三爪等径向压紧方式，防止产生 “三点”变形。
2）再结晶退火，步骤1中零件加工余量大，内部会产生很大的切削应力、材料组织也处于不稳定状态，因而工艺方案中安排再结晶退火，加热温度为740～760℃、保温1.9～2.1h，随炉冷却至150℃后空冷到室温，该过程会使变形晶粒重新结晶、恢复平衡状态，材料金相组织及应力状态趋于平衡，会使零件内部应力得到充分释放。
3）再次粗车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.01mm内，并对零件各结构要素进行粗加工。
4）冷热循环，采用高低温箱，先进行低温处理，温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h，空冷到室温1.5h后再进行高温处理，高温处理温度为140～160℃，保温2.8～3.2h，空冷到室温。达到稳定材料金相组织、消除切削应力的目的。
5）半精车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.008mm内，并对零件各结构要素进行精加工。
6）去应力退火，加热温度为590～610℃，保温0.9～1.1h，炉冷到150℃后空冷到室温。达到稳定组织、消除切削应力的目的。
7）辅助工序，对零件其它结构要素彻底加工完成，以防产生加工变形。
8）深冷处理，将钛合金零件放入冷冻箱在-195℃液氮，保温1.3～1.7h，空冷到室温。深冷处理使材料中残留的介稳组织α＇、β＂、ω、βm等充分转变成稳定的α组织，消除材料组织弥散而产生的组织应力，提高大型精密零件长期使用过程中精度的稳定性
9）齿坯精加工，使用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.005mm内。
10）制齿及冷热循环，进行制齿，制齿后，进行2次冷热循环，冷处理温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h后，空冷到室温1.5h后，在恒温箱加热到80～100℃后，保温2.8～3.2h后，空冷到室温，完成精加工。
其中步骤1和步骤3的粗加工阶段，选择国外涂层刀具，刀片材质IC907，切削速度100m/min、进给速度0.12mm/r、切削深度0.5～1mm；步骤5和步骤9的半精车、精车时，选择国外聚晶金刚石刀具，刀片材质ID5，切削速度200m/min、进给速度0.01mm/r、切削深度0.1～0.15mm。
所述的步骤5半精车齿坯进行两次，两次半精车齿坯后分别进行步骤6的去应力退火。
本薄片环状钛合金高精度齿轮零件的加工方法，解决了薄片环状钛合金齿轮零件加工变形难题。采用该方法成功加工出0.4mm，厚薄公差0.02mm、平行度0.015mm的光学系统用隔圈。满足了该类高精度零件的加工要求。
实施例2
以加工6级精度齿轮零件为例，材料为钛合金TC4，模数为M1，齿数为330，零件结构如图1及图2所示，内孔1直径为φ312H6mm，齿顶圆2直径为φ332h8mm，要求齿顶圆2相对内孔1的同轴度为φ0.014mm；齿轮厚度为6mm，两端面相对内孔1的垂直度为0.014mm，并在φ318mm的圆周上分布27个半径为3mm、深3.5mm的齿轮槽3及27个φ3.4mm的第一齿轮孔4，还有6个φ2mm的第二齿轮孔5，图3所示，齿轮齿顶园2外圈有环形工艺凸台6。
从零件结构分析，零件环形内外半径差仅为10mm、厚度6mm，齿顶圆直径4达φ332mm，属典型的薄片环状零件，加之圆周上分布大量孔、槽特征，使零件结构刚性更差，更易变形；再者，钛合金材料热导率小、弹性模量小，其本身刚性差、变形大，不宜制薄壁零件。因此，如何控制零件加工变形是该零件加工的最大难题。
采用本发明方法加工该零件包括如下步骤：
1）粗车毛坯，沿轴线方向将零件用压板压紧，对零件进行粗加工；加工过程中禁止使用三爪等径向压紧方式，防止产生 “三点”变形，粗车毛坯时，图1中齿顶圆2外部单边留余量5mm形成环形工艺凸台，其余部位留余量2mm。
2）再结晶退火，步骤1中零件加工余量大，内部会产生很大的切削应力、材料组织也处于不稳定状态，因而工艺方案中安排再结晶退火，加热温度为750℃、保温2h，随炉冷却至150°C后空冷到室温，该过程会使变形晶粒重新结晶、恢复平衡状态，材料金相组织及应力状态趋于平衡，会使零件内部应力得到充分释放。
3）再次粗车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件2在0.01mm内，并对零件各结构要素进行粗加工。
本实施例中所用夹具均采用在先申请的“薄片环状钛合金零件的加工辅助装置”专利所公开夹具，申请号为2012204064935，其结构在此不详细说明。通过夹具中防松螺母将零件锁紧，再使压紧螺母压紧零件，进行切削齿轮厚度侧面及内孔1内径；用内孔1内径及齿轮厚度侧面定位，轴向压紧后切削环形工艺凸台两侧面，保证平行度不大于0.01mm，同时对部分其它结构要素进行粗加工，其它结构要素包括φ318mm的圆周上分布的27个齿轮槽3、27个第一齿轮孔4以及6个第二齿轮孔5，见图1。
4）冷热循环，采用高低温箱，先进行低温处理，温度为55℃，保温1.5h，空冷到室温1.5h后再进行高温处理，温度150℃，保温3h，空冷到室温。达到稳定材料金相组织、消除切削应力的目的。
5）半精车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件在0.008mm内，并对零件各结构要素进行精加工。
6）去应力退火，步骤5中进行的2次半精车后要分别进行去应力退火，加热温度为600℃，保温1h，炉冷到150℃后空冷到室温。达到稳定组织、消除切削应力的目的。
7）辅助工序，对齿坯精加工前，对零件其它结构要素彻底加工完成，以防产生加工变形。
8）深冷处理，将钛合金零件放入冷冻箱在-195℃液氮，保温1.5h，空冷到室温。深冷处理使材料中残留的介稳组织α＇、β＂、ω、βm等充分转变成稳定的α组织，消除材料组织弥散而产生的组织应力，提高大型精密零件长期使用过程中精度的稳定性
9）齿坯精加工，使用夹具压紧零件，校正零件2在0.005mm内。精车齿轮厚度侧面及内孔1内径，保证齿轮厚度侧面相对内孔1的垂直度为0.006mm；使用夹具，用内孔1内径及齿轮厚度侧面定位，轴向压紧后逐层切除环形工艺凸台6，保证齿顶圆2的要求。
10）制齿及冷热循环，进行制齿，制齿后，进行2次冷热循环，冷处理温度为-55℃，保温1.5h后，空冷到室温1.5h后，在恒温箱加热到90℃后，保温3h后，空冷到室温，完成精加工。
其中步骤5的半精车齿坯进行两次，第一次半精车齿轮厚度方向的侧面及内孔1，各面单边留余量0.3mm，保证两侧面平行度不大于0.02mm，相对内孔1的垂直度为0.03mm；使用夹具，用内孔1的内径及齿轮厚度侧面定位，轴向压紧后切削环形工艺凸台6的两侧面，保证两侧面平行度不大于0.015mm，相对内孔1的垂直度为0.02mm后，进行步骤6的去应力退火，达到稳定组织，消除应力的目的；第二次半精车齿轮厚度方向的侧面及内孔1，各面单边留余量0.1mm，保证两侧面平行度不大于0.008mm，相对内孔1的垂直度为0.01mm；使用夹具，用内孔1的内径及齿轮厚度侧面定位，轴向压紧后切削环形工艺凸台6的两侧面，保证两侧面平行度不大于0.008mm，相对内孔1的垂直度为0.01mm后，再次进行步骤6的去应力退火，进一步的稳定组织，消除切削应力；之后，对非基准面的其它结构要素进行精加工。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (4)
1.一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，它包括如下步骤：
1）粗车毛坯，沿轴线方向将零件用压板压紧，对零件进行粗加工；
2）再结晶退火，加热温度为740～760℃、保温1.9～2.1h，随炉冷却至150℃后空冷到室温；
3）再次粗车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.01mm内，并对零件各结构要素进行粗加工；
4）冷热循环，先进行低温处理，温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h，空冷到室温1.5h后再进行高温处理，高温处理温度为140～160℃，保温2.8～3.2h，空冷到室温；
5）半精车齿坯，用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.008mm内，并对零件各结构要素进行精加工；
6）去应力退火，加热温度为590～610℃，保温0.9～1.1h，炉冷到150℃后空冷到室温；
7）辅助工序，对零件其它结构要素彻底加工完成；
8）深冷处理，将钛合金零件放入冷冻箱在-195℃液氮，保温1.3～1.7h，空冷到室温；
9）齿坯精加工，使用夹具压紧零件，校正零件，使其误差达到0.005mm内，并对零件各结构要素进行精加工；
10）制齿及冷热循环，进行制齿，制齿后，进行2次冷热循环，冷处理温度为-50～-60℃，保温1.3～1.7h后，空冷到室温1.5h后，在恒温箱加热到80～100℃后，保温2.8～3.2h后，空冷到室温，完成精加工。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，其特征是：所述的步骤1和步骤3的粗加工阶段，选择涂层刀具，刀片材质是IC907，切削速度100m/min、进给速度0.12mm/r、切削深度0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，其特征是：所述的步骤5和步骤9的半精车及精车时，选择聚晶金刚石刀具，刀片材质ID5，切削速度200m/min、进给速度0.01mm/r、切削深度0.1～0.15mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高薄片环状钛合金齿轮零件加工精度的方法，其特征是：所述的步骤5半精车齿坯进行两次，两次半精车齿坯后分别进行步骤6的去应力退火。
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