CN109648252A - 一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法及装置。该方法包括：切断自由锻件上待加工部位的锻造流线；去除切断后的自由锻件两面的大余量，得到粗加工锻件，其中，所述粗加工锻件满足以下两个条件：所述粗加工锻件两面的变形量都小于或等于预设变形量；所述粗加工锻件两面的余量都等于预设余量；按照预设加工顺序对所述粗加工锻件进行精加工，得到符合要求的零件。本发明实施例能够减小大型钛合金框类锻件在复杂零件结构冷加工中的加工变形。

Description

一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法及装置

技术领域

本发明涉及锻件冷加工技术领域，尤其涉及一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法及装置。

背景技术

钛合金是一种具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能的材料，是航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料。为了获得产品良好的力学性能，飞机上大多数钛合金零件采取锻造的手段获取加工用合格的原材料。但由于锻造过程中会产生锻造应力、氧化皮及锻件余量大等不利于加工的因素，直接影响着加工的质量和加工的周期。特别是大型钛合金锻件的加工变形，直接影响着产品的加工质量。

原有的冷加工方法中主要存在以下引起变形的问题：

(1)自由锻件的初始残余应力，锻件经锻造成型后，冷却过程中必然产生内应力，切削后内应力重新分布引起变形；锻件本身的不平整误差，将反映在加工后的零件上；零件经切削加工后，截面尺寸和形状变化也会导致内应力分布的变化，从而引起变形。

(2)刀具对工件的作用，切削热：在切削过程中，为克服材料的弹性变形，塑性变形和刀具与工件之间的摩擦所做的功，大部分转化为切削热，造成零件各部位温度不均，使零件产生变形；

切削力：刀具的切削分力，使零件表面在弹性回复后产生不平度。

残余内应力：加工后的残余内应力重新分布，使加工好的零件变形。

(3)工件的装夹条件，因大型框类件大多为薄壁件。刚性较差，加工装夹时夹、压的弹性变形将影响表面的尺寸精度和形状、位置精度；

因夹紧力与支承力的作用点选择不当，会引起附加应力。

(4)工件材料的影响

钛合金材料的特性：与其他金属相比，钛合金很难切削。自身具有很高的硬度和强度，导热性差，热导率只有钢的1/2，钛又是活泼的金属，容易与刀具中的碳亲和，易产生粘结磨损和扩散磨损，刀具寿命低。以上基本性质给提高切削加工质量带来困难，切削后的弹性回复，给提高已加工表面的尺寸精度也带来困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：减小大型钛合金框类锻件在复杂零件结构冷加工中的加工变形。

优化多截面、变截面、多筋条、薄壁大型钛合金自由锻件冷加工过程中的加工工序，增加去除大余量的方法、切断原有锻件流线等方法，提高加工效率，在保证锻件加工变形可控的前提下，获得尺寸一致性较好的机加零件；合理分配两侧平面机加去除量，小余量去除，通过多次翻转两侧面，保证变形均匀一致，变截面钛合金自由锻件加工成型良好；零件加工完后，各部分残余应力分布不均匀，使零件处于不稳定状态，影响零件的形状及尺寸精度。采取热处理去应力退火的方式消除残余应力，使零件状态趋于稳定。

本发明的技术方案是：

第一方面，提供一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法，包括：

切断自由锻件上待加工部位的锻造流线；

去除切断后的自由锻件两面的大余量，得到粗加工锻件，其中，所述粗加工锻件满足以下两个条件：所述粗加工锻件两面的变形量都小于或等于预设变形量；所述粗加工锻件两面的余量都等于预设余量；

按照预设加工顺序对所述粗加工锻件进行精加工，得到符合要求的零件。

进一步的，所述去除切断后的自由锻件两面的大余量，包括：

以第i次加工的自由锻件的基准面，加工所述第i次加工的自由锻件的另一面，得到第i+1次加工的自由锻件及其加工面；所述i是正整数；

当所述加工面加工达到预设尺寸时，测量第i+1次加工的自由锻件的变形量；

当所述变形量预设量控制在预设变形量以内时，确定所述第i+1次加工的自由锻件两面的余量；

当所述第i+1次加工的自由锻件两面的余量都等于所述预设余量时，将所述加工后自由锻件作为所述粗加工锻件；

当所述加工后自由锻件两面的余量大于所述预设余量时，将所述加工面作为所述第i+1次加工的自由锻件的基准面；

其中，所述第1次的基准面是自由锻件两面中确定余量小的一面。

进一步的，所述预设加工顺序依次为：加工型腔、加工外形、去应力退火、按照数模加工至零件尺寸。

进一步的，所述预设变形量是2mm，所述预设尺寸是10mm。

第二方面，提供一种大型钛合金框类锻件加工变形防治装置，包括：

切断模块，用于切断自由锻件上待加工部位的锻造流线；

去除模块，用于去除切断后的自由锻件两面的大余量，得到粗加工锻件，其中，所述粗加工锻件满足以下两个条件：所述粗加工锻件两面的变形量都小于或等于预设变形量；所述粗加工锻件两面的余量都等于预设余量；

精加工模块，用于按照预设加工顺序对所述粗加工锻件进行精加工，得到符合要求的零件。

本发明的有益效果是：

(1)采用“多次打平”方法进行大余量去除加工。在控制变形量不超过2mm的前提下，将余量小的一面作为基准面，对余量大的一面进行加工，每加工一定量后松一次压板，及时翻面将底面修平，继续对正面进行加工，直到两面余量相同时，对两面同时进行分次加工，直到粗加工状态。此种去除大余量的方法可严格控制大变形的出现，防止了产品在去大余量过程中产生变形。保证最终产品成型；

(2)采用在加工过程中先切断锻造流线，后加工的方法，此方法可以在很大程度上减小锻件在加工过程中因颤振而引起的变形。

(3)采用专用加工工序，控制零件加工过程中每道工序的最大变形量，加工工序中穿插热处理去应力退火及自然时效，使零件加工过程中的翘曲变形可控，保证了合格零件的产出。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

一种大型钛合金框类锻件冷加工过程中控制应力变形的方法，减小大型钛合金框类锻件在复杂零件结构冷加工中的加工变形。

优化多截面、变截面、多筋条、薄壁大型钛合金自由锻件冷加工过程中的加工工序，增加去除大余量的方法、切断原有锻件流线等方法，提高加工效率，在保证锻件加工变形可控的前提下，获得尺寸一致性较好的机加零件；合理分配两侧平面机加去除量，小余量去除，通过多次翻转两侧面，保证变形均匀一致，变截面钛合金自由锻件加工成型良好；零件加工后，各部分残余应力分布不均匀，使零件处于不稳定状态，影响零件的形状及尺寸精度。采取热处理去应力退火的方式消除残余应力，使零件状态趋于稳定。

本发明涉及一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法，该方法包括去除大余量、切断锻造流线、加工顺序，主要加工步骤如下：

1.去除大余量

步骤1.1：为防止自由锻件在去大余量过程中产生变形，故采用“多次打平”方法进行加工。将余量小的一面作为基准面，对余量大的一面进行加工，每加工10mm松一次压板，在变形量超过2mm时，翻面将底面修平，继续对正面进行加工，直到两面余量相同时，对两面同时进行分次加工，直到粗加工状态。其中，正面和底面是自由锻件两面。

2.切断锻造流线

步骤2.1：零件毛坯为自由锻件，锻造流线沿坯料外形分布。因此，加工过程中，会出现沿着锻造流线方向的颤振。对此在加工过程中采用先切断锻造流线，后加工的方法，此方法可以在很大程度上减小锻件在加工过程中因颤振而引起的变形。

3.预设加工顺序

步骤3.1：零件加工过程中主要防治翘曲变形，因此加工顺序依次为：切断锻造流线、去除大余量、加工型腔、加工外形、去应力退火、按照数模加工至零件尺寸；其中，通过多次粗铣上下面10mm实现去除大余量，通过粗铣型腔5mm实现加工型腔，通过半精铣型腔及外形1mm、自然时效和精铣到尺寸实现按照数模加工至零件尺寸过程。

具体实施例：

该零件为某型机框架类承力部件，为节省生产周期，采用自由锻的方法进行锻造生产，锻件重量为500kg。该零件材料牌号为：TA15，零件外廓尺寸：1508mm×1251mm×130mm，加工后重量为75kg，零件上有3个Φ16H9工艺孔用于加工找正及定位；上下腹板各有大小近40个槽孔，材料去除率高达85％，腹板及筋条厚度最小为12mm，属于薄壁类零件，各槽孔之间通过加强筋相连，表面粗糙度要求3.2，满足超声波探伤要求。

加工设备为4m数控加工中心，刀具加工过程中刀具加工参数如下表所示：

(1)数控铣：检查锻件毛坯，确定加工余量；见光上下面，保证平面度0.2；切断锻造流线；以一面为基准装夹，铣零件凸台面，每10mm松一次压板观察零件变形情况，变形超过2mm时，翻面将背面刷平，直到距零件单面10mm；粗铣上表面及型腔至单边5mm；翻面，以各工艺台为基准平面，粗铣上表面及型腔至单边5mm；

(2)热处理：去应力退火；

(3)数控铣：见光底面，保证平面度0.2；翻面，以底面为基准装夹，以基准孔找正，加工型腔及顶面，单边留量1mm；翻面，以顶面为基准装夹，以基准孔找正，加工型腔及顶面，单边留量1mm；粗铣外形，单边留量1mm；

(4)自然时效：不少于12小时；

(5)数控铣：见光底面，保证平面度0.2；翻面，以底面为基准装夹，以基准孔找正，精铣型腔及顶面至尺寸，保证表面粗糙度不大于3.2；

25.3翻面，以顶面为基准装夹，以基准孔找正，精铣型腔及顶面至尺寸，保证表面粗糙度不大于3.2；精铣外形至尺寸。

本发明解决了多截面、变截面、多筋条、薄壁大型钛合金自由锻件冷加工过程中加工变形问题，对此类大余量不稳定形状零件的加工有了一定程度的掌握，最终保证了此产品的合格交付，为以后此类零件的加工方面提供了借鉴。并可将此类产品的加工防变形方法应用到类似的不稳定及稳定形状梁框类去大余量零件，极大程度的控制产品的加工变形，对以后此类产品的加工变形提供了防治方法。

Claims (5)

1.一种大型钛合金框类锻件加工变形防治方法，其特征在于，包括：

切断自由锻件上待加工部位的锻造流线；

去除切断后的自由锻件两面的大余量，得到粗加工锻件，其中，所述粗加工锻件满足以下两个条件：所述粗加工锻件两面的变形量都小于或等于预设变形量；所述粗加工锻件两面的余量都等于预设余量；

按照预设加工顺序对所述粗加工锻件进行精加工，得到符合要求的零件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除切断后的自由锻件两面的大余量，包括：

以第i次加工的自由锻件的基准面，加工所述第i次加工的自由锻件的另一面，得到第i+1次加工的自由锻件及其加工面；所述i是正整数；

当所述加工面加工达到预设尺寸时，测量第i+1次加工的自由锻件的变形量；

当所述变形量预设量控制在预设变形量以内时，确定所述第i+1次加工的自由锻件两面的余量；

当所述第i+1次加工的自由锻件两面的余量都等于所述预设余量时，将所述加工后自由锻件作为所述粗加工锻件；

当所述加工后自由锻件两面的余量大于所述预设余量时，将所述加工面作为所述第i+1次加工的自由锻件的基准面；

其中，所述第1次的基准面是自由锻件两面中确定余量小的一面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设加工顺序依次为：加工型腔、加工外形、去应力退火、按照数模加工至零件尺寸。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设变形量是2mm，所述预设尺寸是10mm。

5.一种大型钛合金框类锻件加工变形防治装置，其特征在于，包括：

切断模块，用于切断自由锻件上待加工部位的锻造流线；

去除模块，用于去除切断后的自由锻件两面的大余量，得到粗加工锻件，其中，所述粗加工锻件满足以下两个条件：所述粗加工锻件两面的变形量都小于或等于预设变形量；所述粗加工锻件两面的余量都等于预设余量；

精加工模块，用于按照预设加工顺序对所述粗加工锻件进行精加工，得到符合要求的零件。