钛合金高精度薄壁圆环齿轮的加工工艺

□ 王文仲 □ 张 勇 □ 王 斌

西安北方光电科技防务有限公司 技术中心 西安 710043

钛合金高精度薄壁圆环齿轮加工时的变形问题，已成为加工难点。对此难题，总结以往类似零件加工工艺及措施，结合新技术、新工艺，调整零件加工工艺方案，逐步摸索出一套解决该类零件加工的成熟工艺。

1 零件工艺性分析

某6级精度的齿轮，材料为钛合金TC4，模 数为1 mm,齿数为302，零件如图1所示，要求齿顶圆相对基准内环孔的同轴度为φ0.015 mm，两端面相对基准内环孔的垂直度为0.015 mm，齿轮厚度为8 mm。6级精度齿轮检测控制要素有：齿形公差为0.009 mm，齿向公差为0.009 mm,齿距累积公差0.063 mm,齿距极限公差±0.011 mm。该齿轮属典型的薄壁零件，刚性差，易变形。钛合金材料因热导率小、弹性模量小，故其本身材料刚性也差，不易加工制作薄壁零件。因此，研究薄壁圆环形零件加工变形的控制有其必要性。

2 钛合金材料性能特点

钛合金材料具有较好的力学、化学、物理等综合性能：①质轻，密度为 4.315 g／cm3，是钢的 60%左右，但其比强度（强度/密度）为23～27，是金属材料中最高的；②钛合金材料热稳定性高，工作温度达500℃ ,在300～350℃条件下其强度比铝合金高10倍；③抗蚀性好，表面能生成致密坚固的氧化膜，其耐蚀性比不锈钢还好；④热导率小，弹性模量小，刚性差，变形大，不宜制作细长轴类和薄壁零件。

▲图1 齿轮示意图

钛合金切削性能差，是典型的难切削材料，其难点体现在：①导热系数低，在切削过程中散热和冷却效果很差，易在切削加工区形成高温；②钛合金材料弹性模量小，屈服强度高，加工变形回弹量大，造成刀具后刀面剧烈的摩擦、黏附、黏结磨损；③变形系数小是钛合金加工的显著特点，甚至小于1，切屑与刀具前面的接触长度很短，单位面积上的切削力大，集中在切削刀尖处，极易造成崩刃；④钛合金化学活性高，在高温下易与刀具材料起反应，形成熔敷、扩散、黏刀、烧刀等现象；⑤主切削力Fc小，背切削力Fp大。

3 零件加工工艺方案

齿轮加工分齿坯加工和齿形加工两个阶段，齿坯精度直接决定齿轮精度，影响齿轮精度的齿形、齿向、周节累积、齿圈径向等误差。通过分析齿轮加工工艺性、材料性能特点，制定了满足齿坯加工精度要求的工艺方案，它是解决钛合金高精度薄壁圆环齿轮的关键环节。具体加工工艺方案为：锻造毛坯→粗车毛坯→结晶退火→粗车齿坯→冷热循环→半精车→去应力退火→半精车→去应力退火→辅助工序→深冷处理→齿坯精加工→制齿→冷热循环二次。

该加工流程粗、精加工划分清晰，辅助工序设计合理，消除了各阶段产生的加工应力，较好地控制了加工过程中零件变形问题。锻造毛坯粗车后晶粒变形，由于材料金相组织及应力状态不平衡，进行再结晶退火，使材料重新结晶，组织恢复平衡，零件内部应力得到充分释放。毛坯第二次粗车后，进行冷热循环，稳定材料组织和消除切削应力。二次半精车后，进行去应力退火，稳定材料组织，消除切削应力。齿坯精加工前通过深冷处理，消除材料组织弥散产生的应力，提高大型精密零件长期使用过程中精度的稳定性。零件加工完成后，再进行两次热处理冷热循环，进一步稳定组织，稳定零件尺寸，消除齿面应力，满足零件长期使用要求。

4 采取的工艺措施

（1）设计环形工艺凸台。在毛坯粗车工艺中，规定沿轴线方向用压板压紧，禁止使用三爪等径向压紧方式，防止产生3点变形等。粗车毛坯时，为解决零件装夹，在零件上设计如图2所示的序号1及序号5所形成的工艺凸台，解决零件的定位、夹紧问题。

（2）设计专用夹具。设计如图3、图4所示的专用夹具，确保加工时不沿径向产生压紧力，避免产生夹持变形。图3夹具中，调整螺钉的作用与通用辅具四爪调整原理相同，既有利于零件找正，又采用沿轴线方向压紧。再利用校正装夹的方法，避免定位误差而引起零件表面余量分配不均产生的加工误差，消除复眏误差。

在第二次定位误差粗车齿坯时，使用图3夹具，利用图3中的调整螺钉及百分表校正零件定位误差在0.005～0.008 mm内，再使用图3中调整螺钉压紧零件，进行切削齿轮侧面及基准孔内径。使用图4夹具，用基准孔及齿轮侧面定位，轴向压紧后切削环形工艺凸台两侧面，保证平行度不大于0.008 mm,图4夹具上设计前引导，保证零件光滑装卸。毛坯精车后，使用图4夹具装夹，逐层切除环形工艺凸台，控制好切削参数。

（3）调整热处理工艺参数。据有关资料介绍，钛合金材料中应力释放与时间成指数关系，还与温度有关。1 h内，在270℃、390℃、495℃、590℃时应力会分别释放12%、16%、65%和97%。按实际情况，在590℃下，大约2 h应力会得到充分释放，热处理时必须在真空炉中进行，当温度降到370℃后，才允许空气进入炉内完成最后的冷却。这种处理方法会使钛合金有良好的结构稳定性，再提高温度也不会对材料的性质有大的变化。根据上述理论，通过反复确认试验，调整热处理工艺参数，形成完全满足零件加工要求的热处理工艺和过程控制方法。

（4）高效切削应用。钛合金材料切削速度达到1 200 m/min时进入高效切削领域，其特点有：①工作温度小，可减少热变形；②切削力低，特别适合加工薄壁类刚性差的工件；③材料切除率高，加工表面质量好。采用PCD刀具，半精车、精车时，切削用量选取：切削速度为180 m/min，进给速度为0.02 mm/r，切削深度为0.08～0.12 mm。

▲图3 夹具示意图

▲图4 夹具示意图

（5） 制齿刀具的改进。薄壁圆环状齿坯刚性差，制齿时极易变形，容易引起齿轮齿形公差、齿向公差的超差。根据钛合金材料的切削性能特点，滚齿时切削速度低，摩擦力大，因此滚刀前角、后角要大，材料要有足够的耐磨性且有高的红硬性。按零件材料性能及精度要求，对滚刀设计改进：①选择最佳滚齿设备，使用外径大的滚刀，以减小分度圆螺旋升角，减小齿形误差。增加容屑槽数量，改善齿形精度及滚刀耐用度；②采用正前角滚刀，滚刀前角由3°增加到9°；增大滚刀铲磨量，增大滚刀后角，由6°增大到12°，使切削刃锋利，减小加工回弹量及滚齿摩擦力，减小制齿变形；③采用螺旋槽形式，减小滚刀齿形误差；④采用涂层技术，降低摩擦因数和黏度，消除黏屑，提高滚刀耐用度。

5 结束语

通过优化调整加工工艺，设计必要的专用工装，消除了加工过程中的零件变形，掌握了钛合金高精度薄壁圆环状齿轮的加工方法，形成稳定加工该类零件的典型工艺方案及可靠措施，解决了钛合金高精度薄壁圆环状零件加工变形难题，满足了产品技术要求。

［1］ 梁炳文.机械加工工艺与窍门 ［M］.北京：机械工业出版社，2002.

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