CN114290005A - 薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置及控制方法 - Google Patents

薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置及控制方法 Download PDF

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张卫国
胡博
李智
邓斌
焦晓慧
姚进军
陈喜锋
齐丽娜
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Abstract

本发明公开了一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,包括内径支撑工装和外径控制工装,内径支撑工装和外径控制工装均由支撑架、可调螺栓和随形顶板组成,支撑架为筒状网格化结构,可调螺栓呈矩阵状分布在支撑架上,随形顶板安装在可调螺栓自由端端部,随形顶板为弧形板,随形顶板的曲率半径与钛合金焊接筒体半径相同。本发明还公开薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,包括采用该机加工变形控制装置,结合热处理,对钛合金筒体依次进行校形处理、粗加工、第一次定型热处理、半精加工、第二次定型热处理和精加工,实现了对钛合金筒体加工过程中外形尺寸的动态调整和小区域变形的精确控制。

Description

薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于薄壁焊接筒体变形控制技术领域,涉及一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置及控制方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于航空、航天、兵器、船舶等军工领域。该钛合金筒体长期在海水腐蚀环境中服役,并进行高速往复运动,对筒体类零件尺寸精度和尺寸稳定性要求很高。该钛合金筒体的壁厚为5mm,直径为2100mm,由于长厚比大,构件在焊接残余应力下容易发生失稳变形,影响产品的加工精度,导致在后续的组装过程中与其他工件无法装配。
钛合金筒体是卷板焊接成的,焊接处的焊接强度低于钛合金本体的强度高,焊缝处存有大量焊接应力,目前采用的方法是加大粗加工余量,精加工过程装夹支撑工装,加工结束后,因为加工时产生较大的残余应力使工件变形,尺寸无法满足技术要求,常出现零件尺寸超差而报废的现象,造成了巨大的经济损失。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,能够多点动态精确控制薄壁钛合金焊接筒体的加工形变量。
本发明的另一个目的是提供一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是,一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,包括内径支撑工装和外径控制工装,内径支撑工装和外径控制工装均由支撑架、可调螺栓和随形顶板组成,支撑架为筒状网格化结构,可调螺栓呈矩阵状分布在支撑架上,随形顶板安装在可调螺栓自由端端部,随形顶板为弧形板,随形顶板的曲率半径与钛合金焊接筒体半径相同。
其中,支撑架由环筋和纵筋交错连接组成,可调螺栓安装在环筋和纵筋的交错点上,与支撑架螺纹连接,随形顶板与可调螺栓螺纹连接。
内径支撑工装由支撑架A、可调螺栓A和随形顶板A组成,支撑架A由环筋A和纵筋A交错焊接组成,可调螺栓A安装在环筋A和纵筋A的交错点上,随形顶板A设置在支撑架A外部,与可调螺栓A自由端螺纹连接。
外径控制工装由支撑架B、可调螺栓B和随形顶板B组成,支撑架B由环筋B和纵筋B交错焊接组成,可调螺栓B安装在环筋B和纵筋B的交错点上,随形顶板B设置在支撑架B内部,与可调螺栓B自由端螺纹连接。
支撑架的壁厚是钛合金焊接筒体壁厚的1.5~2.5倍。
本发明所采用的第二技术方案是,一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,包括以下步骤:
步骤1,筒体校形处理,将内径支撑工装安装在筒体内部,调节可调螺栓A使筒体的外径尺寸达到焊接件外圆超差小于1mm,然后将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装一起进行真空退火校形处理;
步骤2,对钛合金筒体进行粗加工,先粗加工车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装,将外径控制工装安装在筒体外圆上,使随形顶板B外侧面与筒体外圆相贴合,粗加工车筒体内圆,粗加工筒体内孔预留加工量为2mm~3mm;
步骤3,对筒体粗加工结束后,将筒体带内径支撑工装一起放进热处理炉中进行第一次定型热处理;
步骤4,对钛合金筒体进行半精加工,先车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装,将外径控制工装安装在筒体外圆上,车筒体内圆,筒体内孔预留加工量为1mm~1.5mm;
步骤5,将筒体带内径支撑工装一起放进热处理炉中进行第二次定型热处理;
步骤6,对钛合金筒体进行精加工,先将外径控制工装安装在筒体外圆上,车筒体内圆,达到图纸要求后,再将内径支撑工装安装在筒体内部,车筒体外圆,以达到图纸要求。
真空退火校形处理、第一次定型热处理和第二次定型热处理的工艺相同,均是将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装一起放入真空热处理炉中,以140℃00~160℃00的速率升温到600℃~650℃,保温120min~150min,最后随炉冷却至200℃以下出炉。
车筒体外圆和内圆时,选用硬质合金刀YG813或YG6A。
粗加工和半精加工均采用立式普车,精加工采用立式数控车。
本发明的有益效果是,通过内径支撑工装和外径控制工装组成薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,内径支撑工装和外径控制工装均由支撑架、可调螺栓和随形顶板组成,随形顶板为弧形板,在加工过程中与筒体内外壁相贴合,对钛合金薄壁筒体施加与加工刀具方向相反的作用力,加强了钛合金薄壁筒体的刚度;呈矩阵状分布的可调螺栓可以依据筒体变形的大小实时调节,使钛合金薄壁筒体均匀受力,使筒体的变形可控,在筒体外圆和内圆安装该变形控制装置,能够防止刀具对壁厚薄、直径大的筒体产生挤压变形,从而提高加工精度,实现了对钛合金筒体加工过程中外形尺寸的动态调整和小区域变形的精确控制,很好的解决了钛合金薄壁筒体加工过程中的变形问题,提高了机加工精度和产品合格率;在对薄壁钛合金焊接筒体机加工过程中,采用该变形控制装置精确控制筒体的形变量,同时结合多次热处理去除筒体中残余应力,提高了薄壁钛合金焊接筒体机加工后尺寸的稳定性,可广泛应用于航空薄壁筒体件、舰船发射装置和耐压壳体的机械加工中。
附图说明
图1是本发明一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置中内径支撑工装的结构示意图;
图2是本发明一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置中外径控制工装的结构示意图;
图3是本发明一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的局部结构示意图。
图中,1.内径支撑工装,2.外径控制工装,3.钛合金焊接筒体,11.支撑架A,12.可调螺栓A,13.随形顶板A,21.支撑架B,22.可调螺栓B,23.随形顶板B,111.环筋A,112.纵筋A,211.环筋B,212.纵筋B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,参照图1和图2,包括内径支撑工装1和外径控制工装2,内径支撑工装1和外径控制工装2均由支撑架、可调螺栓和随形顶板组成,支撑架的壁厚是钛合金焊接筒体3壁厚的2倍,支撑架为筒状网格化结构,可调螺栓呈矩阵状分布在支撑架上,随形顶板安装在可调螺栓自由端端部,随形顶板为弧形板,随形顶板的曲率半径与钛合金焊接筒体3半径相同(参加图3)。
支撑架由环筋和纵筋交错连接组成,可调螺栓安装在环筋和纵筋的交错点上,与支撑架螺纹连接,随形顶板与可调螺栓螺纹连接。
内径支撑工装1由支撑架A11、可调螺栓A12和随形顶板A13组成,支撑架A11由环筋A111和纵筋A112交错焊接组成,可调螺栓A12安装在环筋A111和纵筋A112的交错点上,随形顶板A13设置在支撑架A11外部,与可调螺栓A12自由端螺纹连接。
外径控制工装2由支撑架B21、可调螺栓B22和随形顶板B23组成,支撑架B21由环筋B211和纵筋B212交错焊接组成,可调螺栓B22安装在环筋B211和纵筋B212的交错点上,随形顶板B23设置在支撑架B21内部,与可调螺栓B22自由端螺纹连接。
采用本发明薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置机械加工Φ2100_Φ2068×1100钛合金薄壁焊接筒体,材质TC4,包括以下步骤:
步骤1,筒体校形处理,将内径支撑工装1安装在筒体内部,调节可调螺栓A12使筒体的外径尺寸达到焊接件外圆超差小于1mm,然后将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装1一起放入真空热处理炉中,以150℃00的速率升温到600℃,保温120min,最后随炉冷却至200℃以下出炉,完成真空退火校形处理;
步骤2,采用立式普车对钛合金筒体进行粗加工,先粗加工车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装1,将外径控制工装2安装在筒体外圆上,使随形顶板B23外侧面与筒体外圆相贴合,然后粗加工车筒体内圆,粗加工筒体内孔预留加工量为2mm,选用硬质合金刀YG813车筒体外圆和内圆;
步骤3,第一次定型热处理,对筒体粗加工结束后,将筒体带内径支撑工装1一起放进热处理炉中,以140℃00的速率升温到680℃,保温150min,最后随炉冷却至200℃以下出炉;
步骤4,第一次定型热处理后,采用立式普车对钛合金筒体进行半精加工,选用硬质合金刀YG813先车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装1,将外径控制工装2安装在筒体外圆上,最后选用硬质合金刀YG6A车筒体内圆,筒体内孔预留加工量为1mm;
步骤5,第二次定型热处理,即将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装1一起放入真空热处理炉中,以160℃00的速率升温到650℃,保温140min,最后随炉冷却至200℃以下出炉;
步骤6,采用立式数控车对钛合金筒体进行精加工,先将外径控制工装2安装在筒体外圆上,选用硬质合金刀YG6A车筒体内圆,达到图纸要求后,再将内径支撑工装1安装在筒体内部,以筒体内径为基准,选用硬质合金刀YG813车筒体外圆,以达到图纸要求。
对成型后的筒体进行检测,内圆和外圆的光洁度达到Ra0.8,钛合金筒体圆度为0.02mm,圆柱度为0.03mm,满足加工精度的要求。

Claims (9)

1.一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,其特征在于,包括内径支撑工装(1)和外径控制工装(2),内径支撑工装(1)和外径控制工装(2)均由支撑架、可调螺栓和随形顶板组成,支撑架为筒状网格化结构,可调螺栓呈矩阵状分布在支撑架上,随形顶板安装在可调螺栓自由端端部,随形顶板为弧形板,随形顶板的曲率半径与钛合金焊接筒体半径相同。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,其特征在于,所述支撑架由环筋和纵筋交错连接组成,可调螺栓安装在环筋和纵筋的交错点上,与支撑架螺纹连接,随形顶板与可调螺栓螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,其特征在于,所述内径支撑工装(1)由支撑架A(11)、可调螺栓A(12)和随形顶板A(13)组成,支撑架A(11)由环筋A(111)和纵筋A(112)交错焊接组成,可调螺栓A(12)安装在环筋A(111)和纵筋A(112)的交错点上,随形顶板A(13)设置在支撑架A(11)外部,与可调螺栓A(12)自由端螺纹连接。
4.根据权利要求2所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,其特征在于,所述外径控制工装(2)由支撑架B(21)、可调螺栓B(22)和随形顶板B(23)组成,支撑架B(21)由环筋B(211)和纵筋B(212)交错焊接组成,可调螺栓B(22)安装在环筋B(211)和纵筋B(212)的交错点上,随形顶板B(23)设置在支撑架B(21)内部,与可调螺栓B(22)自由端螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置,其特征在于,所述支撑架的壁厚是钛合金焊接筒体壁厚的1.5~2.5倍。
6.一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,筒体校形处理,将内径支撑工装(1)安装在筒体内部,调节可调螺栓A(12)使筒体的外径尺寸达到焊接件外圆超差小于1mm,然后将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装(1)一起进行真空退火校形处理;
步骤2,对钛合金筒体进行粗加工,先粗加工车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装(1),将外径控制工装(2)安装在筒体外圆上,随形顶板B(23)外侧面与筒体外圆相贴合,粗加工车筒体内圆,粗加工筒体内孔预留加工量为2mm~3mm;
步骤3,对筒体粗加工结束后,将筒体带内径支撑工装(1)一起放进热处理炉中进行第一次定型热处理;
步骤4,对钛合金筒体进行半精加工,先车筒体外圆,然后拆除内径支撑工装(1),将外径控制工装(2)安装在筒体外圆上,车筒体内圆,筒体内孔预留加工量为1mm~1.5mm;
步骤5,将筒体带内径支撑工装(1)一起放进热处理炉中进行第二次定型热处理;
步骤6,对钛合金筒体进行精加工,先将外径控制工装(2)安装在筒体外圆上,车筒体内圆,达到图纸要求后,再将内径支撑工装(1)安装在筒体内部,车筒体外圆,以达到图纸要求。
7.根据权利要求6所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,其特征在于,所述真空退火校形处理、第一次定型热处理和第二次定型热处理的工艺相同,均是将钛合金焊接筒体连同内径支撑工装(1)一起放入真空热处理炉中,以140℃00~160℃00的速率升温到600℃~750℃,保温120min~150min,最后随炉冷却至200℃以下出炉。
8.根据权利要求6所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,其特征在于,车筒体外圆和内圆时,选用硬质合金刀YG813或YG6A。
9.根据权利要求6所述的一种薄壁钛合金焊接筒体的机加工变形控制装置的控制方法,其特征在于,所述粗加工和半精加工均采用立式普车,精加工采用立式数控车。
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