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.docx

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.docx

《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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.docx（57页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

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

一、题目

TC4钛合金加长薄壁锥形筒件工艺分析及数控编程

二、指导思想和目的要求

针对TC4钛合金加长薄壁锥形筒件难加工问题，文中介绍了TC4钛合金加长薄壁锥形筒件的制造工艺及数控编程。

在其研制过程中，设计了大倍径加长镗刀杆、坐标转换工装及电子束焊接工装，并将坐标转化工装及公差借用法成功应用于TC4钛合金加长薄壁锥形筒件的研制,生产出达到精度要求的合格零件产品。

本零件属于薄壁筒件，加工要求比较苛刻，材料是钛合金，也属于难加工材料，所以本次加工的一些方法会与常规方法有所不同，以保证零件的精确度要求。

三、主要技术指标

1.对于薄壁的加工，保证在除去90%以上毛料的情况下保证精度使零件不发生变形；

2.钛合金材料难切削，在加工时要保证零件表面粗糙度；

3.保证锥孔长度352mm；

4.带角度回转体，端面与底面成5.8°；

5.喉口尺寸精度要求高，保证锥度7.88°锥孔长352mm的薄壁锥形筒件普车后喉口直径为φ29.1+0.20。

四、进度和要求

第一阶段：

查阅有关钛合金薄壁类的相关资料完成开题报告；（第1-2周）

第二阶段：

仔细阅读研究钛合金薄壁类相关资料，使用CATIA实体建模以及数控加工模块；（第3-5周）

第三阶段：

对所选钛合金薄壁类进行材料和工艺分析，以及刀具一些参数的设定；（第6-7周）

第四阶段：

对零件进行实体建模；（第10-11周）

第五阶段：

对零件在加工模块进行粗精加工，设定参数，走刀路线，得出最终零件；（第12-13周）

第六阶段：

数控加工仿真与优化，完成论文。

（第14-15周）

第七阶段：

答辩准备（第16周）

五、主要参考书及参考资料

[1]王树鹏，刘献礼.复合材料和钛合金的切削加工[J].航空制造技术，2008（23）：

56-60.

[2]潘世晓.MIKRON高性能五轴联动加工中心在钛合金叶轮加工上的应用[J].航空制造技术，2011（13）：

95-97.

[3]吴明友.数控加工自动编程—CATIAV5详解[M].北京：

清华大学出版社，2008.

[4]王志厚．薄壁零件加工中防止变形的措施[J]．宝成技术，1991

（2）：

20-71.

[5]郑联语，汪叔淳.薄壁零件数控加工工艺质量改进方法[J].航空学报，2001,22（5）：

424.

[6]卫雄飞,潘宏侠.铝合金薄壁件高速加工的切削力和工艺研究[J].成组技术与生产现代化,2009，26

（2）:

53-56.

[7]武凯.航空薄壁件加工变形分析与控制[D].南京：

南京航空航天大学，2002.

[8]余英良.数控加工编程及操作[M].北京：

北京高等教育出版社，2004.

[9]古文生.数控机床及应用[M].北京：

电子工业出版社，2002.

[10]瘐晋.金属钛的性能、发展与应用[J].有色设备，2003（4）：

16-21.

[11]文华里.世界钛生产技术与钛用途开发新动向[J].轻金属,1997（8）:

4-7.

[12]金红.民用钛合金的发展前景和方向[J].钛工业进展,1998（4）:

6-7.

[13]庞为.机匣制造技术[M].北京：

科学出版社，2002.

[14]任敬心,康仁科.难加工材料的磨削[M].北京：

国防工业出版社，1999.

[15]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京：

化学工业出版社，2005.

[16]邓文英，郭晓鹏.金属工艺学[M].北京：

高等教育出版社，2008.

[17]杜君文，邓广敏.数控技术[M].天津：

天津大学出版社，2002. 

[18]董玉红.数控技术[M].北京：

高等教育出版社，2004. 

学生程岩松指导教师任军学系主任魏生民

摘要

针对某飞机TC4钛合金加长薄壁锥形筒件难加工问题，文中介绍了TC4钛合金加长薄壁锥形筒件的制造工艺及数控编程。

在其研制过程中，设计了大倍径加长镗刀杆、坐标转换工装及电子束焊接工装，并将坐标转化工装及公差借用法成功应用于TC4钛合金加长薄壁锥形筒件的研制,生产出达到精度要求的合格零件产品。

本次钛合金加长薄壁锥形筒件的加工主要是由普通车削以及数控铣削俩部分完成。

普通车削加工的目标是352.4mm内锥孔以及加长薄壁锥形筒件的外形，属于典型的薄壁件加工，由于壁厚只有1.2mm，所以对于车削加工有较高要求；数控铣削加工的目标是喉口段，由于喉口端面与底面成5.8°,成歪脖子，不能一次铣削成功，所以制作了专门工装，分三次装夹铣削完成，并且对数控编程有一定的要求。

本文详细的描述了零件的加工难点、工艺分析、数控编程步骤以及完整的工艺规程，并对加工中需要的工装、加工方法、刀具参数以及工艺进行了解析。

对于本人而言，本次零件的成功加工在各个方面都是一种突破。

关键词：

TC4钛合金，加长薄壁件，锥形筒件

ABSTRACT

SincetheTC4 Titanium Alloy,LengtheningThin-walled Workpiece,andConicalBarrel-Type Pieceishardtofabrication,thisthesisismainlyintroducetheTC4 Titanium Alloy,LengtheningThin-walled Workpiece,andConicalBarrel-Type Pieceanditsmanufacturingtechnology.Thoughitsmanufactureprocess,longerboringbarandcoordinatetransformationandelectron-beamweldingtoolinghasbeendeveloped.AndalsosuccessfullyusethecoordinatetransformationtoolingandborrowingmethodoftoleranceintoTC4 Titanium AlloylengtheningThin-walledWorkpiece’sdevelop,sothatcanproducedtheaccuracyrequirementsofthequalifiedparts.

Thetitaniumalloythinwallconepartsextendedprocessingismainlycausedbyconventionalturningandmillingwerepartiallycompleted.Ordinarylathemachiningisthegoalof352.4mminnerconeholeandappearanceofthin-wallconeparts,belongstothetypicalthin-walledpartsmachining,becauseonlythewallthicknessof1.2mm,sofortheturningofthehigherrequirements;NCmillingisthegoalofthethroatsection,becausethethroatsurfaceandthebottomsurfaceatanangleof5.8degrees,acrookedneck,notamillingsuccess,sotheproductionofspecializedtooling,threeclampingmillingfinish,andtherearecertainrequirementsforNCprogramming.

Thispaperdescribesthemachiningdifficulty,processanalysis,numericalcontrolprogrammingstepsandcompleteprocessspecification，andtheprocessingneedsoftooling,machiningmethod,thetoolparametersandtechnologicalanalysis.Forme,thesuccessfulprocessingofthepartsisabreakthroughinallaspects.

KEYWORDS：

TC4TitaniumAlloy，LengtheningThin-walledWorkpiece，ConicalBarrel-TypePiece

目录

第一章绪论5

1.1钛合金概述5

1.1.1钛合金的性能5

1.1.2钛合金加工难点6

1.1.3钛合金的应用7

1.1.4钛合金的发展趋势8

1.2薄壁件简介8

1.2.1薄壁件8

1.2.2薄壁件加工难点9

1.3数控加工技术10

1.3.1数控加工的特点10

1.3.2国内外数控技术发展状况10

第二章典型薄壁结构件工艺分析12

2.1引言12

2.2零件结构12

2.3TC4钛合金加长薄壁锥形筒件加工难点及处理方法13

2.3.1薄壁锥形筒件加工难点13

2.3.2薄壁锥形筒件加工难点处理方法13

第三章典型薄壁件主要工艺规程及措施16

3.1薄壁锥形筒件的加工16

3.1.1薄壁锥形筒件工艺流程16

3.1.2普车镗内锥孔18

3.1.3普铣四方20

3.1.4对称磨四方20

3.1.5数控铣入口段21

3.1.6普车内锥孔22

3.2薄壁锥形筒件工装二类23

3.2.1芯轴23

3.2.2斜台支座24

第四章薄壁锥形筒件数控编程25

4.1入口端安装面精加工26

4.2入口端内腔加工28

4.2.1入口端内腔粗加工28

4.2.2入口端内腔精加工30

4.3入口外形加工32

4.3.1入口外形粗加工32

4.3.2入口外形精加工34

4.4上表面加工36

4.4.1上表面粗加工36

4.4.2上表面精加工38

4.5下表面加工40

4.5.1下表面粗加工40

4.5.2下表面精加工42

第五章全文总结44

参考文献45

致谢46

附录47

第一章绪论

1.1钛合金概述

1.1.1钛合金的性能

1.钛合金的高温性能

在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。

高温钛合金不仅具有良好的室温性能和高温强度，并且在蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面具有良好的匹配。

世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350℃，经历了40多年的发展，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃，而Ti-Al金属间化合物的崛起，打破了600℃的使用温度界限，将使用温度升至700℃以上。

2.钛合金的腐蚀性能

钛的抗腐蚀性强，在550℃以下的空气中，表面会迅速氧化形成薄而致密的TiO2钝化膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及碱性溶液中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。

由于合金可以调整成分、改变组织，因而钛合金在多数情况下具有比纯钛更好的耐蚀性和其他性能，更能在某些苛刻的腐蚀环境中工作。

3.钛合金的加工性能

a）切削加工性能

钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。

切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大，所以刀具切削刃承受的应力更大，刀尖或切削刃容易磨损。

钛合金摩擦因数大，而热导率低，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。

钛合金在切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易产生扩散磨损和粘结磨损。

b）磨削加工性能

钛合金化学性质活泼，在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。

砂轮磨损的同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。

钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。

另外，钛合金

热导率低、比热小，磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。

c）挤压加工性能

钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高温坯锭与模具的接触时间。

因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。

鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。

挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。

因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。

钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。

1.1.2钛合金加工难点

TC4钛合金是双相合金，属于（α+β）型钛合金，拉伸强度σb能达到1012MPa，固溶强化处理后，拉伸强度增加不大，能达到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。

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TiO2、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107.8GPa，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。

1.1.3钛合金的应用

1.在航空航天中的应用

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1-1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Ti-3Al-2.5V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。

SR-71黑鸟的机身大部分是钛钛合金航空发动机叶轮

图1-1钛合金在航空中的应用

2.其他方面的应用

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。

1.1.4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。

1.2薄壁件简介

1.2.1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。

1.2.2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。

1.3数控加工技术

1.3.1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。

1.3.2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2000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