框架式钛合金铸件加工技术探析

孙念明+孙井泉

[摘 要]钛在国民经济中仅次于钢和铝，可谓“第三金属”。区别于一般金属所制成的铸件，钛金属或钛合金所制成的铸件在形态上与成品非常类似，明显减少机加工量；同时，钛合金铸件具有钛金属、钛合金所具有的耐高温腐蚀，强度高、性能稳定等优势，可以用于航空航天、医疗体育、能源化工等多个领域，甚至在军用领域也有非常广泛的应用。文章选择机型为ZTC4的框架型钛合金铸件作为研究对象，对其加工技术、加工工艺进行探析。

[关键词]钛金属；框架式；钛合金；铸件；加工技术；加工工艺

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.09.177

钛合金是一种具有高性能的新型材料，与钢相比，其质量非常轻盈，与铝相比，钛合金具有高温结构，这样的性能使得钛合金被广泛应用于汽车、航空航天器或舰船的制造之中，甚至在军用领域也占据了一席之地。我国近些年来在工业技术上迅速发展，金属产品在制造上也向着“近净成形”的方向不断发展，优于机械加工与锻造的铸造技术可以使金属产品直接获得“近净成形”的构件。将铸造技术与钛合金联合使用，可以提高钛合金铸件的抗蠕变性能与裂纹扩展能力，还可以节省钛合金生产成本。因此，如何提高钛合金铸件的加工效果便成了目前急需解决的问题。

1 概 述

现阶段，无论是国外还是国内，所使用的钛合金和钛合金铸件都是沿用于钛合金与变形钛的成分。对于变形钛合金和铸造钛合金来说，其分类标准都是相同的。若以“相同组成”作为标准进行分组，可分为“β”型、“α”型、“近β”型、“近α”型以及“α+β”型五个类别的合金；若以“金属强度即应用状况”作为标准进行分组，可分为“中温中强”型合金、“高温高强”型合金、高强合金、低温合金、生物工程合金以及耐腐蚀合金共六种类型的合金。

目前，我国最为常用的合金便是中温中强合金ZTC4与ZTC7，其中ZTC4便是本文所要研究的框架式钛合金铸件的原材料。除此之外，还有ZTA2与Ti-0.2Pb这两种使用率较高的耐腐蚀型钛合金，Ti1100等高温钛合金、Ti153等高强β型钛合金。2014年的一项调查结果显示，在钛合金铸件中有90%以上使用ZTA2与ZTC4作为生产原材料。

2 框架式钛合金铸件

2.1 用途

以沈飞制造的某型飞机为例，其后机身部分是由2个大型铸件与4个框架式结构所构成的骨架，其平尾与垂尾是一体的，将垂尾轴安装在铸件的垂尾孔中，并使机身垂直面和垂尾轴保持一定的角度，在运行垂尾轴时可以使其围绕着垂尾轴线进行转动。在这样的装配方案中，垂尾轴所有的应力均施加在铸件之上，铸件内侧与三个框架相连接，并使用高锁螺栓进行连接。由此可见，铸件是整个方案中最为关键的承力构件，其重要性不言而喻。

2.2 分析

2.2.1 毛料信息

无论是熔模铸造的毛料还是砂型铸造的毛料，其材料牌号均为退火状态的ZTC4型钛合金，零件的尺寸为1.37m×0.7m×0.7m，其净质量分别为0.11t和0.15t。

2.2.2 结构特征与加工难点

第一，零件本身具有相当复杂的结构，工艺性不佳，刚性差，很难具有稳定的结构，在加工过程中极易出现变形问题。第二，加工关系复杂，缺乏协调性，需要多面配合，对于配合精度具有非常高的要求。第三，零件在尺寸精度与装配精度上具有较高的要求，加工中难以保证零件具有足够的尺寸精度与装配精度。第四，作为理论外缘的上表面与下表面在铸造过程中很难达到设计要求，外形极易出现较大的偏差，机加工时很难协调好位置余量。第五，零件尺寸为1.37m×0.7m×0.7m，铸件壁厚度相对较薄，若使用一般方法进行加工将会带来明显的颤动，刀具容易断裂，进而影响到加工位置的精度。第六，铸件的垂尾孔直径在19～22.8cm之间，孔长度为4.5cm，大小误差应控制在（+0.05，-0.01）之间，若使用数控镗孔技术可以达到尺寸要求，使用数控铣加工技术可以通过装夹方式进行摆角加工，但是加工中对镗刀总质量的要求已经超过了数控机床所具有的最大承拉重力——198N。第七，作动孔处的槽口尺寸应为：槽深0.15m、下刀深0.17m，就開敞性而言不甚理想。第八，上腹鳍孔与下腹鳍孔的孔径应为18H8mm和22H8mm。在铸造过程中很难控制好孔洞的位置，因此铸件的腹鳍孔通常不具有底孔，这就使得铸件缺少足够的下刀空间，特别是下腹鳍孔，仅有0.12m×0.16m的下刀窗口，其位置甚至在腹鳍凸台的背面。

2.3 加工与控制

2.3.1 明确加工基准

从前文所提供的信息可以推断出如下结论：铸件缺少直接加工的基准、零件易发生颤动、难以保证空间尺寸、槽口长且下刀空间小、难以协调加工余量、垂尾孔长等，均是影响加工方案实行效果的因素，对此，首先应该明确加工的基准，例如，铸件缺少直接加工基准，数模中对铸件某一面的加工要求是平面，但是当前的铸造技术无法切实地保证其平面的平面度，无法将其作为加工基准，此时可以在铸件的外部适当增加一个工艺凸台作为工艺基准，基于这个工艺凸台，铸件在经过铸造加工之后便可以接受加工余量的调整。这种在设计数模的基础上增加工艺凸台的行为便可以称之为“制造工艺数模”，这样的工艺数模可以作为加工铸造乃至检查的最初始的依据。

2.3.2 协调加工余量

若要协调加工余量，需要进行“铸造厂划线”与“机加厂协调”两个阶段的工作。在第一个阶段，铸造厂需要为铸件协调好加工余量，使用两点投影交叉法在铸件上绘制上机加工的基准线，其坐标体系包括2X、Y和Z共三个方向。由于划线无法保证每一个平面都有正好的机加工余量，无法确保壁厚达到设计要求，无法确保上表面与下表面处在较为均匀的状态，因此需要机加厂进行下一阶段的协调工作。而机加厂主要负责为铸件分配工艺余量，鉴于铸件的结构为典型的壳体，因此可以在每一个加工面进行单面加工。当然，也正是因为铸件均为单面加工且加工面位于壳体的六个方向，因此铸件很难实现加工余量的协调分配，增加设计的强度与流水性，因此需要适当进行整体余量的增加，但不可过度增加，以免增加铸件的整体净质量。

2.3.3 严格控制工艺装备要求

首先，需要考虑工种，如：①数控铣，使用自制铣夹方式；②垂尾孔加工：垂尾孔的长度最长为0.45m，最大直径为0.23m，由于加工工具难以保证其刚性，因此应该选择主轴直径较小的机床进行加工，加工时保持孔位水平，作固定镗夹加工。③对于壳内部的腹鳍孔，应购买最大扭矩为70Nm的专用角度头进行加工；针对腹鳍孔较小的下刀空间，可以使用钻头与铰刀进行加工。

2.3.4 加工过程

框架式钛合金铸件的加工过程如下：①检验材料，查看其是否符合相关参数要求；②按照划线进行零件调整；③铣基准钻小孔并使用测量机进行测量；④分析数据，制定调整方案；⑤基于方案进行基准孔扩大，对铣基平台进行校准；⑥数控粗精铣，检查测量，再次装夹并进行数控粗精铣，如此多次反复；⑦精修外形，清洗，测量，热处理，并采取精镗孔处理；⑧测量并进行套孔钻挡、孔位测量；⑨铣掉工艺凸台，给予清洗、荧光处理，排除裂纹，增加标识。

3 结 论

框架式钛合金铸件加工难度大、要求高，本文对其加工技术、加工要求、加工工艺进行了简单介绍，以供参考。

参考文献：

[1]王金海，张伟.框架式钛合金铸件加工技术探析[J].装备制造技术，2012（3）.

[2]王金海，张伟，李晶磊.框架式钛合金铸件加工技术[J].工具技术，2012（5）.

[3]李义军，朱明渝.大型薄壁复杂框架式结构钛合金铸件的研制[J].铸造，2015（3）.