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摘要：钛合金属于轻合金，其密度小、比强度高、比模量高，结构性能优异，然而钛合金材料价格昂贵，利用钛合金棒料制成薄壁壳体类零件，大量的钛材被掏空，加工周期长，刀具磨损快，加工易变形，大大降低了钛合金材料的使用率。
关键词：钛合金材料；热处理；控制
1钛合金材料的加工难点
（1）钛合金材料组织稳定钛合金材料具有熔点高、激活能大、组织复杂等特点，晶格原子不易脱离平衡位置，切削时使切削温度大幅提高，易产生积削瘤，影响零件表面加工质量。（2）钛合金薄壁零件易变形钛合金薄壁零件刚度差，每一次切削加工由于应力释放，造成工件变形，影响零件的尺寸精度及形位公差。
（3）薄壁零件加工应力释放在切削力及径向夹紧力作用下，零件产生弹性应力变形，当零件放置一段时间或在环境温度或温冲试验的条件下，内部组织应力将会释放出现变形，造成零件变形报废。
（4）钛合金材料易产生TiN、TiC等硬化层钛合金化学活性好，易与各种气体杂质产生化学反应，如O、N、H、C等元素浸入钛合金中，形成间隙式固溶体，使表面晶格严重弯曲，塑性降低，与N、C作用，形成硬度高的TiN、TiC等硬层，加速刀具的磨损。
2钛合金薄壁零件热处理工艺
通过以上对薄壁钛合金零件加工变形的分析，解决的措施概括起来就是：选择合适的刀具材料、刃磨角度、切削要素、加工工艺流程、热加工方法、正确的装夹方式等，可以采用以下方法。
（1）高温热处理改变平衡对钛合金材料零件逐步加热到变形温度750℃，使组织中a相发生了a→b的转换，使得初生a相减少，从而破坏了a+b原子晶格的平衡，使得钛合金零件在高温下，在一定压力下产生组织变形。
（2）粗加工后的退火钛合金薄壁零件毛坯在粗加工阶段，余量加工大，刀具磨损快，此时零件内存储变形应力最大，组织不稳定，因此采用粗加工后的真空热处理工序，改善钛合金材料组织面心六方晶格系马氏体组织结构，提高后续加工工序的切削加工性能，增加刀具的使用寿命，提高工件表面加工质量。
（3）半精加工后的时效热处理半精加工后再进行一次真空热处理（见图1），进一步去应力退火、半精加工、均化、消除切削加工的应力，易于下道工序加工，获得好的工艺性。
图1 半精加工热处理曲线
（4）精加工后进行温度循环热处理零件精加工完成后内、外尺寸及形位公差达到技术要求。但是考虑到环境温度的变化影响到零件完工尺寸和形位公差产生微量变化，同时考虑到零件随产品要进行一系列温度及冲击试验，因此，再进行3个热处理循环用来稳定精加工后的完工尺寸。
（5）真空热处理防止硬化层对于钛合金薄壁零件，在真空炉里进行真空退火再结晶热处理，消除零件表面氧化层，加工时添加极压乳化液或极压切屑油冷却，及时带走刀具上的切屑，防止旋压零件产生TiN、TiC等硬化层，保证零件加工质量。
3应用实例
壳体零件如图2所示，零件材料为TC4，零件壁厚2mm，长度为109mm，零件由毛坯棒料加工成该薄壁零件，加工时伴随着产生大量的切削热使零件变形，加工精度尺寸难以保证，零件加工的合格率在75%左右。
图2 钛合金薄壁零件
对该薄壁零件的加工首先进行：
（1）750℃的真空退火再结晶热处理，使a+b脱离平衡位置，用来消除钛合金材料的内应力和组织不均匀及晶粒粗大等现象，改善了钛合金材料组织切削性能。（2）其次再进行600℃左右时间为1h的时效处理，均化加工应力，加工时注意切削刀具进给量大产生振动，分三次进给切削，同时选择合适的切削速度、机床转速，消除刀具的热变形及机床振动，减小刀具的主切削力，提高零件表面加工质量，达到消除零件加工变形的目的。
（2）对已加工好的钛合金薄壁零件进行-50℃左右时间为1h；+90℃左右时间为2h的三个循环热处理，均化加工应力及稳定加工尺寸，防止管壳零件随环境温度变化带来产生的形变，获得最佳的使用性能。
（3）刀杆采用中空式，采用不含氯的极压式切削油作冷却液，喷管通过刀杆直接加入到刀具的切削区，避免了积屑瘤的产生，降低了切屑区的温度，通过真空热处理，消除了零件与大气中的O、N、CO、CO2产生强烈的化学反应形成的硬化层、脆化层。
采用上述钛合金薄壁零件的热处理加工方法，零件的加工合格率由75%提高到95%以上。
结语：本文依据工艺实践提出了钛合金薄壁壳体零件加工的热处理工艺，采用三阶段的真空热处理方法均化加工应力，使零件毛坯组织晶粒细化，有效改善了材料自身的切削加工性能，使钛合金材料纤维连续、强度明显提高，精加工后的三个循环稳定加工尺寸的热处理提高了零件尺寸加工的稳定性，多批次上千个工件加工实践表明，在刀具材料和角度、切削用量、基准面精加工和装夹等工艺措施的配合下，上述热处理工艺方法达到了控制零件加工变形、稳定加工尺寸的目的，保证了零件尺寸精度及形位公差达到技术要求。
参考文献：
[1]钛合金零件镀铬工艺及控制研究[J].郭初阳,郭喜军,王永红,刘聪.新技术新工艺.2015.
[2]钛合金零件喷丸工艺及质量控制[J].郭初阳,王晓平,胡愈刚.新技术新工艺.2013.
论文作者:陈红艳
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/29
标签：零件论文; 加工论文; 钛合金论文; 薄壁论文; 应力论文; 材料论文; 刀具论文; 《防护工程》2017年第22期论文;