CN113927256A - 一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄壁深腔舱体加工领域，公开了一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，所述方法包括如下步骤：(1)将零件由整体结构拆分为分体结构；(2)在毛坯状态用三维扫描仪对零件内腔和外形进行三维扫描；(3)粗车内腔和外形回转部分，粗铣内腔和外形其余部分；(4)对零件进行热时效处理；(5)对半精加工后的舱体进行整体激光焊接；(6)精车内腔和外形。本发明解决了大型薄壁深腔舱体加工中激光沉积成型毛坯存在表皮硬度高、切削性能差、内部应力大的问题。
Description
技术领域
本发明属于薄壁深腔舱体加工领域，更具体地涉及一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法。
背景技术
随着航天技术的飞速发展，高速、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器材料和制造提出了更高要求。近年来，激光沉积成型技术在型号产品中逐步得到广泛应用，该技术能够满足型号快速研制需求，在大型复杂结构件研制上具有突出优势。大型薄壁深腔舱体属于复杂结构机械加工件，并且激光沉积成型毛坯存在表皮硬度高、切削性能差、内部应力大等问题，在实际加工过程中，导致产品加工效率低、加工刀具损耗严重、加工变形不易控制等问题。
发明内容
为解决现有技术中大型薄壁深腔舱体加工中激光沉积成型毛坯存在表皮硬度高、切削性能差、内部应力大的问题，本发明提供一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法。
本发明采用的具体方案为：一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将零件由整体结构拆分为分体结构；
(2)在毛坯状态用三维扫描仪对零件内腔和外形进行三维扫描；
(3)粗车内腔和外形回转部分，粗铣内腔和外形其余部分；
(4)对零件进行热时效处理；
(5)对半精加工后的舱体进行整体激光焊接；
(6)精车内腔和外形。
所述步骤(2)中的三维扫描中，根据三维扫描数据确定端面加工基准及回转中心，根据基准化加工截止线。
所述步骤(4)中对零件进行热时效处理中参数升温时间≥2h，加热温度630±10℃，保温时间180-195min，真空压强2×10-3-6.7×10-2Pa，随炉冷却至180-200℃后，允许充氩气冷却至80-100℃以下出炉空冷。
所述步骤(4)中对零件进行热时效处理后利用三维扫描设备检测舱体外形轮廓度等形位公差与时效处理前进行对比，分析产品变形量。
根据所述变形量的变形规律分析舱体各部分余量，判断是否需要借量，然后半精车舱体内腔和外形，均匀留量1mm，半精车参数a＝1mm，n＝12r/min，F＝0.2mm/r。
根据半精车基准，对零件其余部分进行半精铣，均匀留量1mm，半精铣参数a＝0.5mm，S＝1500r/min，F＝900mm/min。
所述步骤(4)中粗车内腔和外形回转部分的参数为均匀留量3mm，粗车参数a＝1.5mm，n＝10r/min，F＝0.3mm/r；所述粗铣内腔和外形其余部分的参数为均匀留量3mm，粗铣参数a＝0.7mm，S＝1200r/min，F＝700mm/min。
所述步骤(6)中精车内腔和外形的精车参数a＝0.5mm，n＝15r/min，F＝0.15mm/r。
在完成所述步骤(6)中精车内腔和外形的精车操作后精铣剩余未加工区域到最终尺寸，精铣参数a＝0.3mm，S＝1500r/min，F＝1000mm/min。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明通过整体结构拆分为分体结构，减少激光沉积成型和机加工难度；在分体状态完成零件内腔和大部分外形加工，对于舱体精度要求高的对接尺寸采取分体件留量加工，待分体件机加完成后进行激光焊接，保证Ⅰ级焊缝，焊接后整体加工，保证产品符合要求。
2.为保证整体舱段Ⅰ级焊缝要求，舱段整体焊接时设计了焊接工装，通过工装能够确定分体件角向，保证激光焊接时零件装夹稳定并可以自由转动，具备调整待焊区域接差等功能，确保产品质量符合要求。
3、本发明为控制零件变形，合理安排工艺过程，分粗、精两序去除毛坯余量，在粗、精工序间增加二次热处理工序，通过二次热处理既能够去除原材料成型应力又能够去除粗加工残余应力，将变形量控制在最小范围。
附图说明
图1为本实施例1中的制备得到的薄壁深腔舱体示意图；
图2为图1的侧视图。
符号说明：
1.第一部分、2.第二部分、3.第三部分、4.拆分线、5.薄壁深腔舱体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明采用大型薄壁深腔舱体是某型号无人机助推级的重要结构件，毛坯材料为TA15，采用激光沉积方式成型。该件为巡航级工作提供初始动力，其中与巡航级连接的两处凸块与舱体采用一体化设计，整体为薄壁深腔圆柱形结构。舱体总长990mm，圆形部分直径1000mm，典型壁厚3mm，凸块尺寸为450mm×115mm×160mm，内腔中间有一环形加强筋，环筋高200mm，由半封闭式网格结构组成，网格深度为98.5mm，两侧拉弹孔直径为42，孔径公差为H8，对接止口同轴度、两处凸块平面度形位尺寸公差要求为0.05mm，舱段轴线与对接端面垂直度、对接端面平面度形位公差要求为0.1mm，端面销孔孔距尺寸为976±0.05。
针对上述产品结构特点，将零件由整体结构拆分为分体结构，降低激光沉积成型和机加难度，拆分时避开零件主要承力区域，并且尽量保证拆分区域壁厚一致，降低整体焊接难度。对于加强筋等加厚区，在分体零件机加时加工坡口，保证后续整体焊接质量。如图1、2所示，所述舱体分为三部分，第一部分2、第二部分2、第三部分3。
在毛坯状态用三维扫描仪对零件内腔和外形进行三维扫描，根据三维扫描数据确定端面加工基准及回转中心，根据基准化加工截止线，确保舱体各部分特征余量均匀。
粗车内腔和外形回转部分，均匀留量3mm，粗车参数a＝1.5mm，n＝10r/min，F＝0.3mm/r粗铣内腔和外形其余部分，均匀留量3mm，粗铣参数a＝0.7mm，S＝1200r/min，F＝700mm/min。对零件进行热时效处理，参数升温时间2h，加热温度630℃，保温时间180min，真空压强2×10-3Pa，随炉冷却至200℃后，允许充氩气冷却至100℃以下出炉空冷。利用三维扫描设备检测舱体外形轮廓度等形位公差与时效处理前进行对比，分析产品变形量。
根据变形规律分析舱体各部分余量，判断是否需要借量，然后半精车舱体内腔和外形，均匀留量1mm，半精车参数a＝1mm，n＝12r/min，F＝0.2mm/r。根据半精车基准，对零件其余部分进行半精铣，均匀留量1mm，半精铣参数a＝0.5mm，S＝1500r/min，F＝900mm/min。对半精加工后的舱体进行整体激光焊接，焊接过程采用焊接工装，工装由芯轴和内部支撑机构组成，可以保证焊接过程零件自动旋转，并且能够调整焊缝间隙，保证整体焊接质量。
精车内腔和外形，精车参数a＝0.5mm，n＝15r/min，F＝0.15mm/r。精铣剩余未加工区域到最终尺寸，保证形位公差符合图纸要求，精铣参数a＝0.3mm，S＝1500r/min，F＝1000mm/min，终检舱体所有尺寸并入库。
由于舱体毛坯表面硬度高，加工难度大，为提高产品加工效率，降低生产成本，根据产品加工深度进行合理分区，本发明中在各加工深度采用大直径刀具进行粗加工去量，减少精加工刀具玄伸，合理设定切削参数，避免切削力过大，加工刀具震颤，刀具损耗等问题，通过多种不同刀具组合方式进行加工，提高产品加工效率。
Claims (9)
1.一种大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将零件由整体结构拆分为分体结构；
(2)在毛坯状态用三维扫描仪对零件内腔和外形进行三维扫描；
(3)粗车内腔和外形回转部分，粗铣内腔和外形其余部分；
(4)对零件进行热时效处理；
(5)对半精加工后的舱体进行整体激光焊接；
(6)精车内腔和外形。
2.根据权利要求1所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中的三维扫描中，根据三维扫描数据确定端面加工基准及回转中心，根据基准化加工截止线。
3.根据权利要求1所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中对零件进行热时效处理中参数升温时间≥2h，加热温度630±10℃，保温时间180-195min，真空压强2×10-3-6.7×10-2Pa，随炉冷却至180-200℃后，允许充氩气冷却至80-100℃以下出炉空冷。
4.根据权利要求1所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中对零件进行热时效处理后利用三维扫描设备检测舱体外形轮廓度等形位公差与时效处理前进行对比，分析产品变形量。
5.根据权利要求1所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中粗车内腔和外形回转部分的参数为均匀留量3mm，粗车参数a＝1.5mm，n＝10r/min，F＝0.3mm/r；所述粗铣内腔和外形其余部分的参数为均匀留量3mm，粗铣参数a＝0.7mm，S＝1200r/min，F＝700mm/min。
6.根据权利要求4所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，根据所述变形量的变形规律分析舱体各部分余量，判断是否需要借量，然后半精车舱体内腔和外形，均匀留量1mm，半精车参数a＝1mm，n＝12r/min，F＝0.2mm/r。
7.根据权利要求6所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，根据半精车基准，对零件其余部分进行半精铣，均匀留量1mm，半精铣参数a＝0.5mm，S＝1500r/min，F＝900mm/min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，所述步骤(6)中精车内腔和外形的精车参数a＝0.5mm，n＝15r/min，F＝0.15mm/r。
9.根据权利要求8所述的大型钛合金激光沉积成型薄壁深腔舱体加工方法，其特征在于，在完成所述步骤(6)中精车内腔和外形的精车操作后精铣剩余未加工区域到最终尺寸，精铣参数a＝0.3mm，S＝1500r/min，F＝1000mm/min。
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