CN114182338B - 一种钛合金工件减重方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金工件减重方法，属于钛合金减重技术领域，解决了现有技术中钛合金复杂工件减重方法成本高、效率低和精度差的问题。该钛合金复杂工件减重方法包括以下步骤：a.测量钛合金复杂工件的三维尺寸，确定钛合金复杂工件需减重部位的去除尺寸余量；b.以石墨电极作为阴极，以钛合金复杂工件需减重部位作为阳极，以高氯酸酒精溶液作为电解液，进行电解。有效提高钛合金减重过程效率、均匀性好、时间及人力成本低、适用于复杂结构工件。

Description

一种钛合金工件减重方法

技术领域

本发明涉及钛合金减重技术领域，尤其涉及一种钛合金工件减重方法。

背景技术

钛合金以其较高的比强度，较好的耐腐蚀性，优良的高低温性能，被广泛应用于航空航天领域。铸造、焊接、锻造、增材制造等方法是钛合金工件成型的常用方法，在其成型过程中，尤其是铸造过程中，为保证成型质量及工件尺寸，在工艺设计过程中，需要设计工艺补贴量，补贴量的存在将增加工件的整体质量，对于超出重量及尺寸要求的补贴量，需要通过机加、手工打磨、酸洗等方法进行去除。现有钛合金复杂工件减重方法成本高、效率低和精度差。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种钛合金工件减重方法，用以解决现有钛合金工件减重方法成本高、效率低和精度差的问题。

本发明提供了一种钛合金工件减重方法，该钛合金工件减重方法包括以下步骤：

a.测量钛合金工件的三维尺寸，确定钛合金工件需减重部位的去除尺寸余量；

b.以石墨电极作为阴极，以钛合金工件需减重部位作为阳极，以高氯酸酒精溶液作为电解液，进行电解。

优选地，步骤b中，所述石墨电极与所述钛合金工件需减重部位相匹配，所述石墨电极与液体扩散用泵连接。

优选地，所述钛合金工件不需要减重的部位用绝缘材料包覆。

优选地，所述电解液中，高氯酸的体积含量为3-15％。

优选地，所述阴极与所述阳极之间的距离为15-45mm。

优选地，所述电解的条件包括：电解电压20-35V，电流密度为15-25mA/mm²。

优选地，所述石墨电极上设置泵体连接通孔和安装孔，所述液体扩散用泵与所述泵体连接通孔连通，所述安装孔与阴极导线连接。

优选地，所述泵体连接通孔的直径为20-40mm。

优选地，步骤b中，对于厚薄不均匀的减重部位，先将厚的区域电解减重至与薄区域相同厚度，然后将整体区域进行电解减重处理，并且，每次电解完成一个整体区域后将已经电解减重后的钛合金复杂工件表面进行绝缘处理。

优选地，所述钛合金工件减重方法还包括步骤c：将减重处理后的钛合金工件进行洗涤、干燥和吹砂。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明采用电解法对钛合金工件进行减重处理，减重效率高；

2、通过控制电解条件来控制减重过程，均匀性好，时间及人力成本低；

3、本发明的方法适用性广，不仅适用于简单结构件、一般复杂件，还适用于小空间复杂件；

4、可以采用不同薄厚部位多次电解的步骤实现复杂结构合金工件的减重。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

图1为实施例4的钛合金工件壳体内部需减重部位结构图；

图2为实施例4的钛合金工件壳体内部需减重部位减重处理后结构图；

图3为本发明的钛合金工件减重电解系统示意图；

图4为本发明的石墨电极结构示意图；

图5为本发明的石墨电极与液体扩散用泵配合示意图。

附图标记

1-钛合金工件；2-石墨电极；3-通孔；4-安装孔；5-阳极连接孔；6-液体扩散用泵的入口管线；7-液体扩散用泵的出口管线；8-电解池；A-减重前余量下限为5.6mm的区域；B-减重前余量下限为3.2mm的区域；C-减重后的区域。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

现有技术中，对于超出重量及尺寸要求的补贴量，需要通过机加、手工打磨、酸洗等方法进行去除，对于简单结构件，可通过车、铣、手工打磨等工序对余量进行去除，对于一般复杂件，去除补贴量需通过加工中心及相应的程序编写去除，对于小空间复杂件，机械设备及其他手工电动工具难以实现余量清除。采用加工中心等设备进行余量去除，成本较高、时间周期较长；采用手工打磨方法，精度差且工作空间易受限；使用酸洗方法，其过程效率较低。

基于上述存在的技术问题，本发明提供了一种钛合金工件减重方法，该钛合金工件减重方法包括以下步骤：

a.测量钛合金工件的三维尺寸，确定钛合金工件需减重部位的去除尺寸余量；

b.以石墨电极作为阴极，以钛合金工件需减重部位作为阳极，以高氯酸酒精溶液作为电解液，进行电解。

本发明的方法原理主要依据是电解，电解过程中阳极金属失去电子形成离子剥离金属表面，经过离子不断剥离，实现样品表面减薄及整体减重的目的，通过电解过程平稳进行，达到钛合金工件的轮廓尺寸减小，达到减重减尺寸的目的。

本发明的钛合金工件减重方法采用电解法减重处理，过程容易控制，相较于现有技术具有效率高、减重均匀性好、时间及人力成本低、适用于复杂结构工件。

示例性地，如图1和2所示，所述钛合金工件可以为由两个弧形的半圆组成的壳体，当需要对工件内部表面进行减重时，如图3所示(为了清楚显示钛合金工件和石墨电极的结构，图3只显示出了一半的钛合金工件和一半的石墨电极)，将石墨电极2设置置于钛合金工件1壳体内，进行电解减重。

步骤a中，三维尺寸测量的目的是获取初始工件的基本尺寸信息，然后对比理论模型，确定工件需减重部位去除尺寸余量，为后续减重工作的进行提供有效的参考依据。具体操作方法可以为：使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照，通常同一部位的余量是均匀的，厚薄基本一致，同一区域的余量有细微差别时，对同一部位需要减重位置的余量上限、下限进行汇总，根据余量下限值和电解速率可以确定后续电解过程的时间，即电解时间为余量下限除以电解速率。

本发明中，采用石墨作为阴极，石墨的导电性好，加工性能好。优选地，石墨中，灰分≤1％，电阻率≤60(10^-6Ω·m)，抗压强度≥29MPa，体积密度≥1.5g·cm^-3。

为了进一步提高减重均匀性和效率，优选地，步骤b中，所述石墨电极与所述钛合金复杂工件需减重部位相匹配，所述石墨电极与液体扩散用泵连接。该优选实施方式中，石墨电极可以通过通孔与泵连接，泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中，目的是为了混液，促进扩散，保证电解液尽可能均匀，保证电解过程均匀，进而保证工件均匀减薄。可以去除较小细节部分的余量，液体扩散用泵促使电解液强制扩散，提高电解效率。

需要说明的是，所述“匹配”是指石墨电极与工件需减重部位形成的相对面的形状相匹配，例如，工件需减重部位的表面是凹陷的，那么石墨电极为与所述凹面相匹配的凸面。这样可以保证阴极与阳极之间各处的电化学反应的均一性。

本发明中，为了使工件正常尺寸的部位不受电解过程的影响，优选地，所述钛合金复杂工件不需要减重的部位用绝缘材料包覆。

本发明中，所述绝缘材料可以为本领域的常规选择，只要能够起到绝缘效果即可，例如，所述绝缘材料为绝缘胶或绝缘漆。

电解液作为阴极与阳极之间的离子的传递介质，电解液的配比将影响电解的速率、均匀性等，是电解质量的重要影响因素。优选地，所述电解液中，高氯酸的体积含量为3-15％。优选地，所述电解液为高氯酸和酒精的混合液，所述酒精的纯度为99.99％。

本发明中，为了进一步保证电解的均匀性、去除工件表面的细小结构，优选地，所述阴极与所述阳极之间的距离为15-45mm。

电解过程中，通过设置合理的电解参数，可以实现电解过程高速、平稳进行。电解过程主要参数设置为电解电压、电流密度和电解速率，其中，电压的大小将决定离子扩散的速度及能力，电流的大小取决于电解过程发生电解的阴阳极实际作用面积。

对于电解速率，电解速率过快易出现表面不均匀，电解速率过慢影响电解效率，本发明的电解速率可以通过以下方法确定：对于特定浓度电解液，使用相同参数(电解电压和电流密度)，相同材质，尺寸为100×50×20(长×宽×厚)的试样，完成电解3min电解实验，电解后测量试样厚度，同一试样，连续测量三次，确定电解速率。

本发明中，综合考虑减重过程的速率和均匀性，优选地，所述电解的条件还包括：电解电压20-35V，电流密度为15-25mA/mm²。

根据本发明的一种优选实施方式，所述石墨电极上设置泵体连接通孔和安装孔，所述液体扩散用泵与所述泵体连接通孔连通，所述安装孔与阴极导线连接。

本发明中，通孔的设置及扩散过程的实现可以促进离子迁移，对所述泵体连接通孔的大小没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，优选地，所述泵体连接通孔的直径为20-40mm。

示例性地，如图3-5所示，所述石墨电极2设置有从下向上贯通的通孔3；为了方便液体扩散用泵与通孔3连通，优选地，在石墨电极2的下方以通孔3为中心设置缺口；所述安装孔设置在石墨电极2的下部靠近一侧边缘的位置；钛合金工件1的上端设置阳极连接孔5，所述阳极连接孔5可以在钛合金工件1本体上开孔形成，也可以在另外在钛合金工件1上安装一个阳极连接孔5(电解结束后再将其拆卸)。

电解减重时，将液体扩散用泵的入口和出口连接管线(液体扩散用泵设置在电解池8的外部，图中未示出)，将液体扩散用泵的入口管线6放置在电解液中，液体扩散用泵的出口管线7与石墨电极的通孔的下端连通，启动液体扩散用泵后，电解液由入口管线6进入液体扩散用泵后再沿着出口管线7进入石墨电极2的通孔3内，从通孔3上端排出，与电解池8中的电解液混合，从而促使电解液强制扩散，提高电解效率。

本发明中，考虑到工件的结构复杂性，优选地，步骤b中，对于厚薄不均匀的减重部位，先将厚的区域电解减重至与薄区域相同厚度，然后将整体区域进行电解减重处理，并且，每次电解完成一个整体区域后将已经电解减重后的钛合金复杂工件表面进行绝缘处理。

上述优选实施方式中的步骤b的具体操作可以为：对于一个厚薄不均匀的区域，先将工件的较薄区域进行绝缘处理，对较厚区域进行第一阶段电解，当较厚区域的厚度经过电解减少到与较薄区域一样的厚度时，第一阶段电解结束，去除较薄区域的绝缘层，将第一电解阶段电解处理后的区域和原始较薄区域作为一个整体阳极进行第二阶段电解。完成一个整体阳极的电解减重过程后，将完成减重后的表面进行绝缘处理，再对其它区域进行电解减重处理。对于更多不同厚度的区域，可以根据厚度的不同选择两次以上电解阶段。在该优选实施中，石墨电极可以设置成与上述的整体阳极相匹配的形状，避免在不同阶段电解过程中更换石墨电极。

本发明中，减重过程完成后，所述钛合金复杂工件的表明会残留电解液、绝缘介质等，因此，优选地，所述钛合金复杂工件减重方法还包括步骤c：将减重处理后的钛合金复杂工件进行洗涤、干燥和吹砂。

具体地，将已完成减重处理的铸件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液中，浸泡5-10min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

下面，通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案和技术效果。

实施例1

(1)使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照工作，根据对照结果，需要减重位置的余量上限为5.5mm，下限为4.8mm，以4.8mm为参照。

(2)钛合金复杂工件不需要减重的部位涂上绝缘胶；

(3)将石墨电极的安装孔与直流电源的阴极导线连接，将钛合金复杂工件需减重部位与直流电源的阳极导线连接，石墨电极的形状与钛合金复杂工件需减重部位的形状相匹配，将石墨电极的泵体连接通孔(直径为30mm)接通液体扩散用泵(泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中)，阴极与阳极的距离为15mm，以高氯酸酒精溶液(高氯酸的体积含量为3％)作为电解液，保证电解液淹没阳极和阴极，启动直流电源和液体扩散用泵，进行电解，电解条件为：电解电压20V，电流密度为18mA/mm²，电解速率为0.2mm/min，电解时间24min；

(4)将已完成电解减重处理的工件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液，浸泡5min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

对实施例1电解减重处理后的工件进行三维扫描，工件尺寸复合标准，并且工件表面的均一性较好。

实施例2

(1)使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照工作，根据对照结果，需要减重位置的余量上限为3.5mm，下限为3mm，以3mm为参考。

(2)钛合金复杂工件不需要减重的部位涂上绝缘胶；

(3)将石墨电极的安装孔与直流电源的阴极导线连接，将钛合金复杂工件需减重部位与直流电源的阳极导线连接，石墨电极的形状与钛合金复杂工件需减重部位的形状相匹配，将石墨电极的泵体连接通孔(直径为25mm)接通液体扩散用泵(泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中)，阴极与阳极的距离为30mm，以高氯酸酒精溶液(高氯酸的体积含量为10％)作为电解液，保证电解液淹没阳极和阴极，启动直流电源和液体扩散用泵，进行电解，电解条件为：电解电压30V，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.25mm/min，电解时间12min；

(4)将已完成电解减重处理的工件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液，浸泡5min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

对实施例2电解减重处理后的工件进行三维扫描，工件尺寸复合标准，并且工件表面的均一性较好。

实施例3

(1)使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照工作，根据对照结果，需要减重位置的余量上限为4.6mm，下限为4.2mm，平均值为以4.2mm为参考。

(2)钛合金复杂工件不需要减重的部位涂上绝缘胶；

(3)将石墨电极的安装孔与直流电源的阴极导线连接，将钛合金复杂工件需减重部位与直流电源的阳极导线连接，石墨电极的形状与钛合金复杂工件需减重部位的形状相匹配，将石墨电极的泵体连接通孔(直径为40mm)接通液体扩散用泵(泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中)，阴极与阳极的距离为45mm，以高氯酸酒精溶液(高氯酸的体积含量为15％)作为电解液，保证电解液淹没阳极和阴极，启动直流电源和液体扩散用泵，进行电解，电解条件为：电解电压35V，电流密度为24mA/mm²，电解速率为0.3mm/min，电解时间14min；

(4)将已完成电解减重处理的工件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液，浸泡5min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

对实施例3电解减重处理后的工件进行三维扫描，工件尺寸复合标准，并且工件表面的均一性较好。

实施例4

(1)使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照工作，根据对照结果，需要减重的部位薄厚不均匀，包括较厚区域和较薄区域，较厚区域的余量下限为5.6mm，较薄区域的余量下限为3.2mm。

(2)钛合金复杂工件不需要减重的部位涂上绝缘胶，并将薄厚不均匀部位中较薄区域涂上绝缘胶；

(3)将石墨电极的安装孔与直流电源的阴极导线连接，将钛合金复杂工件需减重部位与直流电源的阳极导线连接，石墨电极的形状与钛合金复杂工件需减重部位的整体形状相匹配，将石墨电极的泵体连接通孔(直径为20mm)接通液体扩散用泵(泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中)，阴极与阳极的距离为30mm，以高氯酸酒精溶液(高氯酸的体积含量为10％)作为电解液，保证电解液淹没阳极和阴极，启动直流电源和液体扩散用泵，进行第一阶段电解，电解条件为：电解电压为30V，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.3mm/min；第一阶段电解时间为8min，待较厚区域的厚度减少至与较薄区域的厚度一致时，结束第一阶段电解；

(3)去除较薄区域上的绝缘胶，对整个需要减重的区域进行第二阶段电解，电解条件为电解电压30V，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.3mm/min，电解时间10.5min；

(4)将已完成电解减重处理的工件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液，浸泡5min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

对实施例4电解减重处理后的工件进行三维扫描，工件尺寸复合标准，并且工件表面的均一性较好。实施例4减重前后的钛合金工件如图1和2所示。

实施例5

(1)使用手持式三维扫描仪，对工件进行360°扫描，通过扫描仪设备完成工件实物三维重建，并进行扫描结果与工件理论模型的对照工作，根据对照结果，需要减重的部位薄厚不均匀，其中，各部位的余量下限分别为厚区域6.1mm、较薄区域4.6mm和最薄区域3.3mm。

(2)钛合金复杂工件不需要减重的部位涂上绝缘胶，并将薄厚不均匀部位中较薄区域和最薄区域涂上绝缘胶；

(3)将石墨电极的安装孔与直流电源的阴极导线连接，将钛合金复杂工件需减重部位与直流电源的阳极导线连接，石墨电极的形状与钛合金复杂工件需减重的整体部位的形状相匹配，将石墨电极的泵体连接通孔(直径为20mm)接通液体扩散用泵(泵一端连接石墨电极中心通孔，另一端放置在电解液中)，阴极与阳极的距离为30mm，以高氯酸酒精溶液(高氯酸的体积含量为10％)作为电解液，保证电解液淹没阳极和阴极，启动直流电源和液体扩散用泵，进行第一阶段电解，电解条件为：电解电压30，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.3mm/min；待厚区域的厚度减少至与较薄区域的厚度一致时，结束第一阶段电解，第一阶段电解时间为5min；

(3)去除较薄区域上的绝缘胶，对步骤(2)中电解后的区域和较薄区域进行第二阶段电解，电解条件为电解电压30V，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.3mm/min；待该电解区域的厚度减少至与最薄区域的厚度一致时，结束第二阶段电解，第二阶段电解时间为4min；

(4)去除最薄区域上的绝缘胶，对步骤(3)中电解后的区域和最薄区域进行第三阶段电解，电解条件为电解电压30V，电流密度为20mA/mm²，电解速率为0.3mm/min，，第三阶段电解时间为11min；

(5)将已完成电解减重处理的工件转移至过饱和氢氧化钙悬浮液，浸泡5min后，送入清水池清洗，清洗完成后将工件送入烘干箱，烘干完成后进行吹砂处理，去除表面绝缘介质及其他残留。

对实施例5电解减重处理后的工件进行三维扫描，工件尺寸复合标准，并且工件表面的均一性较好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钛合金工件减重方法，其特征在于，该钛合金工件减重方法包括以下步骤：

a.测量钛合金工件的三维尺寸，确定钛合金工件需减重部位的去除尺寸余量；

b.以石墨电极作为阴极，以钛合金工件需减重部位作为阳极，以高氯酸酒精溶液作为电解液，电解液淹没阳极和阴极，进行电解；高氯酸的体积含量为10-15%；

所述石墨电极与所述钛合金工件需减重部位形成的相对面的形状相匹配；所述钛合金工件不需要减重的部位用绝缘材料包覆；

所述石墨电极设置有从下向上贯通的通孔；

将液体扩散用泵的入口和出口连接管线，将液体扩散用泵的入口管线放置在电解液中，液体扩散用泵的出口管线与石墨电极的通孔的下端连通；启动液体扩散用泵后，电解液由入口管线进入液体扩散用泵后再沿着出口管线进入石墨电极的通孔内，从通孔上端排出，与电解池中的电解液混合；

对于厚薄不均匀的减重部位，先将厚的区域电解减重至与薄区域相同厚度，然后将整体区域进行电解减重处理，并且，每次电解完成一个整体区域后将已经电解减重后的钛合金复杂工件表面进行绝缘处理。

2.根据权利要求1所述的钛合金工件减重方法，其特征在于，所述阴极与所述阳极之间的距离为15-45mm。

3.根据权利要求1所述的钛合金工件减重方法，其特征在于，所述电解的条件包括：电解电压20-35V，电流密度为15-25mA/mm²。

4.根据权利要求1所述的钛合金工件减重方法，其特征在于，所述石墨电极上设置安装孔，所述安装孔与阴极导线连接。

5.根据权利要求4所述的钛合金工件减重方法，其特征在于，所述泵体连接通孔的直径为20-40mm。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的钛合金工件减重方法，其特征在于，所述钛合金工件减重方法还包括步骤c：将减重处理后的钛合金工件进行洗涤、干燥和吹砂。

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