tc4钛合金加长薄壁锥形筒件工艺分析及数控编程毕业论文(编辑修改稿)

tc4钛合金加长薄壁锥形筒件工艺分析及数控编程毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

到 1100MPa，退火状态下 拉伸 强度一般在 900MPa；具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。 其次是力学变化范围较宽，可以适应各种用途。 在实际应用过程中， TC4 钛合金的加工主要有以下难点： 1）变形系数小：变形系数小于或接近于 1，造成切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增加，加速了刀具的磨损； 2）切削温度高：由于钛合金的导热系数很小，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高 ,造成工件的灼伤，致使刀具材料软化加快刀具的磨损。 3）单位面积上的切削力大：由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。 同时由于钛合金 TC4 的弹性模量小，加工时在径向作用力下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。 4）冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。 冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 5）刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法后，形 成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刀现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。 6）钛的化学活性大：在高温下易与大气中的氧、氮、氢等发生强烈化学反应，生成 TiO TiN、 TiH 等硬脆层。 造成已切削区域与未切削区域的硬度不均匀，容易造成刀具受力不均，加剧刀具的磨损。 7）弹性恢复大：钛合金弹性模量为 ，约为钢的 1/2，在切削力作用下，会产生大的切削变形以及大的弹性恢复。 综上所述，如何提高此类零件的加工效率和零件成型质量，需要综合考虑各项因素选定合适设备和设计合适的工艺方案。 钛 合金的应用 从 20 世纪 50年代开始 ,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。 该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度已及良好的耐蚀性，比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。 而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。 钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一 ，如图 11 所示 ,应用它可以减轻飞机的重量 ,提高结构效率。 太空飞行器的有效载荷相对飞机较小，因此其结构的减重就显得更为重要。 钛合金已在最早的阿波罗和水星计划中得到 了应用，燃料箱和卫星舱体等都是钛合金的典型应用。 钛合金质量轻、强度高、与燃料的长期化学稳定性好，因而比高强度钢更有优势。 如 合金是作为低温应用而研制的，在太空的深冷条件下仍有良好的韧性和塑性。 SR71 黑鸟的机身大部分是钛 钛合金航空发动机叶轮 图 11 钛合金在航空中的应用 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 钛合金凭借其优异的性能，在运动器械上，如自行车、摩托艇、网球拍和马具上都获得了广泛的应用，但影响最大的 还是高尔夫球头。 钛合金密度小、强度高，与不锈钢相比，它可以制作打击面与容积更大的球头，因此它打得准、打得 远。 在日本第一杆球头 90%为钛球头，其中铸钛的占 70%以上。 目前第二 ~第四杆也已推广使用精铸钛合金球头，精铸件的制造已经形成具有一定生产规模的产业。 日本市场 1991 年铸钛高尔夫球头销售量为 6万件， 1995 年则猛增至 150 万件，年销售额已达 7000 万美元。 钛合金在体育领域的使用量不容小视。 钛合金的发展趋势 目前 ,钛合金材料主要的应用领域是航空航天等军事工业部门 ,开发新的应用领域 ,特别是在汽车、 火车、磁浮列车、钛自行车、高楼外墙装饰等民用领域 的应用前景十分广阔。 近年来国内外结构钛合金、高温钛合金、耐蚀钛合金、高强钛合金、低温钛合金等均取得了很大的进展，一些合金也得到了实际的应用。 但是，总的来看，钛合金研究的多、应用的少的现象仍然严重，另外钛合金的高成本也限制了钛合金更加广泛的应用。 根据国内外钛合金的研究和开发的现状，钛合金将来的发展趋势是： a)通过设备和工艺改进，改善现有钛合金的使用性能，扩大应用范围。 b)大力发展民用钛合金，如汽车用低成本钛合金，生物钛合金等。 c)采用先进的熔炼加工技术 和设备，以提高生产效率，降低生产成本。 d)开发更先进的钛合金制备技术和钛的新产品。 e)采用提高材料利用率的净成型技术。 薄壁件简介 薄壁件 一般认为，在壳体件、套筒件、环形件、盘形件、平板件、轴类件中，当零件壁厚与内径曲率半径 (或轮廓尺寸 )之比小于 1： 20 时，称作薄壁零件。 这类零件的共同特点是刚度低，结构复杂，加工时极易引起误差变形或工件颤振，降低工件的加工精度。 特别是当零件的形状及尺寸精度要求较高时，对振动、切削力大小及波动、切削温度、装夹方式等均十分敏感，往往未加工到规定尺寸，零件已 经超出精度要求。 对于某些壁厚很薄的零件，因其刚度太差，甚至不能按常规方法进行机械加工。 薄壁零件多应用于航空航天工业中，由于航空航天零件的特殊性能要求，在西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 保证同样的强度和刚度等力学特性下，要求零件重量要尽可能的轻，所以航空薄壁件的材料多采用铝镁合金、钛合金等比较难加工的材料，进一步增加了制造的难度，加大了零件加工的成本，以常规制造技术加工薄壁零件很难有时根本达不到零件的精度要求，这已成为机械加工中的一大难题，限制了在航空工业中占比较重要位置的薄壁零件的设计制造。 薄壁零件在现代工业技术中占有很重要的战略意义 ，因此国内外学者专家在薄壁零件的加工技术上做了很深入的研究。 欧美等制造业比较发达的国家，针对薄壁件的结构特点，应用的技术有： 1)从加工工艺系统的整体刚度考虑，提出充分利用零件的整体刚性变形控制方案； 2)从机床方面着手，提出了平行双主轴联动精度控制方案； 3)从装夹方面考虑，提出了用低熔点合金填充或使用真空夹具精加工零件的方案； 4)从切削用量方面考虑，提出了变进给速度加工方法，通过工艺方法试验与计算机模拟仿真相结合，提高了加工的效率和可靠性； 5)采用有限元仿真预测加工变形，再利用数控补偿技术进行适当主 动误差补偿以此提高薄壁件的加工精度。 薄壁件加工难点 薄壁钛合金工件加工最大的瓶颈是材料难加工、尺寸精度及形位公差要求高、壁薄易变形，影响加工变形因素有很多，主要体现以下几个方面 ： 1） 工件壁薄切削热的产生引起变形 ， 钛合金材料的导热系数小于不锈钢和高温合金的导热系数，散热条件差分别是铁和铝的 1/4 和 1/16，使切削区温度迅速上升，积于切削刃附近不易散发，造成加工的刀尖附近应力集中，造成刀具磨损崩刃，造成工件变形 ； 2）工件刚性差切削过程中机床振动及切削要素不合适产生变形 ， 薄壁工件刚性差，受机床振动 等因素造成加工薄壁钛合金材料工件时，不合适的切削速度使切削过程中产生振动，引起变形。 3）工件切削过程中径向夹紧力产生变形 ， 钛合金薄壁工件加工装夹时，在径向夹紧力的作用下，易引起弹性变形，从而影响工件的尺寸精度及形位公差要求。 4）工件切削过程中应力释放产生变形 ， 钛合金薄壁工件加工过程中，每进行一次切削金属时，应力将释放出来，造成工件变形。 整体上来说我国的薄壁零件加工技术还处于初步阶段，无论振动加工技术或高速切削技术都是刚刚起步，仅处于摸索阶段，缺乏必要的工艺技术数据，无法西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 应用于实践，加工时，切削参数往往 比较保守，大多采用低转速、小进给、多次空走刀等方法来控制加工变形，应用手工检验、打磨等手段来处理加工后尺寸精度和表面质量问题，这样会大大降低加工效率，且未必能保证加工质量。 数控加工技术 数控加工的特点 数控加工，也称之为 NC（ Numerical Control）加工，是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。 数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。 数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性 ，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。 也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。 数控加工具有如下优点： 1） 提高生产效率； 2) 不需熟练的机床操作人员； 3) 提高加工精度并且保持加工质量； 4) 可以减少工装卡具； 5) 可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，数控加工一次装夹完成加工，缩短加工周期，提高生产效率； 6) 容易进行加工过程管理； 7) 可以减少检查工作量； 8) 可以降低废、次品率； 9) 便于设计变更，加工设定柔性； 10) 容 易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台床； 11) 操作容易，极大减轻体力劳动强度。 随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使 用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。 数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（ CAD/CAM）系统。 国内外数控技术发展状况 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。 90 年代的全世界数控机床西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 制造业都经过重大改组。 如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。 如德国机床行业从 20xx 年至今已接受 3 个月以后的订货合同，生产任务饱满。 20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。 自从1952 年美国第 1 台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。 数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 10～ 20 万台，产值上百 亿美元。 我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。 但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50％，库存超过 4个月。 从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备 制造市场一派繁荣。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 第二章 典型薄壁结构件工艺分析 引言 现代飞机设计中广泛采用先进的整体结构件，并且大量采用钛合金（如 TC4）制造飞机和发动机零部件，这些材料强度大，硬度高，耐冲击。 加工中切削力大，发热量大，容易硬化，刀具磨损严重，属于难加工材料。 而结构上大多是薄壁件，加工中难以保证零件的尺寸精度。 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件主要应用于某飞机防冰限流系统，通过该产品的研制，可以得到一套高效的解决办法来完成类似结构的 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件产品的加工。 本文主要针对 TC4 钛合金加长薄 壁锥形筒件的制造工艺及数控编程进行阐述。 零件结构 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件主要采用的材质为 TC4R钛合金，其壁厚仅为。 且端面和底面之间的夹角为 176。 ，属于典型的 TC4 钛合金加长薄壁件的加工。 其结构见图 21所示，二维视图见 22所示。 实物图见 23所示。 图 21 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件结构示意图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 图 22 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件二维图 图 23 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件 TC4 钛合金加长薄壁锥形筒件加工难点及处理方法 薄壁锥 形筒件加工难点 ，如何在除去 90%以上毛料的情况下保证精度使零件不发生变形； 钛合金材料难切削，加工主要有以下难点： 1）变形系数小； 2）切削温度高； 3）单位面积上的切削力大； 4）冷硬现象严重； 5）刀具易磨损； 352mm，没有合适的刀柄用于加工； ，端面与底面成 176。 ； ，如何保证锥度 176。 锥孔长 352mm 的薄壁锥形筒件普车后喉口直径为φ + 0。 薄壁锥形筒件加工难点处理方法 TC4 钛合金薄壁 的加工，为避免变形采用的方法是小切削、低转速、西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 低进给以及有效的冷却。 薄壁锥形筒件内锥孔粗加工过程中所用的刀具及参数主要有：刀具材料为YG8， 45176。 偏刀连续切削，使用冷却液使切削刃冷却。 粗车切削用量 V=25～38m/min， f=～ ， ap=6～ ，前角γ =8176。 ～ 12176。 能保证刀具强度。 磨出 ～ 的负倒棱，增强切削刃强度。 后角α =15176。 ～2。