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基于弹性磨头抛光的钛合金气密面加工工艺改进

发表时间:2026-06-02 10:04来源:金属加工

介绍一种抛光钛合金密封平面的工艺方法,采用车铣复合加工中心,利用多轴功能修磨定制聚氨酯发泡弹性磨头。通过工艺改进解决了粗磨和精抛光过程中存在的难点问题,有效提高了密封平面的加工质量,提升了产品的气密性能。


PART 1  序言


钛合金材料具有密度小、比强度高及耐蚀性好等一系列优点[1]。为满足产品严格的耐蚀性要求,使用牌号为TC11的钛合金材料加工某气阀类零件。在气体密封部位选用平面密封的结构形式,如图1所示。凸台端面为气密面,要求表面粗糙度值Ra=0.8μm,高度(3.4±0.05)mm,要求尺寸关联两面之间平行度≤0.02mm。


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图1 零件密封结构示意


PART 2  工艺难点


工艺改进前,产品气密性一直不佳。使用测漏液涂覆密封处,每间隔4~5s,经常出现不连续的气泡。拆解故障零件后,使用显微镜观测密封端面,可看到贯穿密封面、深度较浅的划痕及细微气蚀点。带划痕的密封面如图2所示。这些划痕及气蚀点破坏了零件表面,在气体高压区及低压区之间形成了细微的气体泄漏通道,造成产品气密功能失效。


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图2 带划痕的密封面


要想去除这些加工缺陷,提高密封面的表面质量,必须采取研磨、抛光等光整加工方法。在此过程中需解决以下困难。


1)在磨削抛光时,钛合金易粘附砂轮或磨具,堵塞孔隙,难以保证较高的表面质量要求[2]


2)密封面具有较高的几何公差及尺寸公差精度要求。构成端面密封的各部件要求接触面平行,并且表面粗糙度需达到相关等级[3]。如采用磨床粗磨后,在车床上再次使用砂带抛光的方法,不仅需考虑粗磨与抛光两次装夹造成的误差,而且需要克服人工抛光操作带来的加工误差。高精度砂带自动磨削可满足加工精度要求,但价格高昂。


PART 3  解决方案


3.1 设备


为立足现有条件解决上述问题,选择具备高精度车床主轴、车刀下刀塔、铣削主轴及多轴联动控制的车铣复合中心作为加工设备,利用其多轴加工优势,将粗磨及抛光工步一次装夹完成,避免两次装夹带来的加工误差。其较高的加工精度及多轴功能可实现磨头的在线修整,保证加工精度。


3.2 磨头


粗磨抛光钛合金需选择合适的加工工具。以发泡材料为基体的弹性磨头具备耐磨性好、多孔隙及容纳切屑能力强的特点,在加工钛合金时具备天然的优势。因绿碳化硅(GC)磨料与钛合金粘附较轻,磨削力小且磨削温度低[4],故选择绿碳化硅磨料发泡抛光轮作为抛光工具。绿碳化硅磨料弹性磨头及其夹持系统如图3所示,其中图3a所示为粗磨使用的150目磨头,图3b所示为抛光使用的300目磨头。


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a)150目磨头


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b)300目磨头

图3 绿碳化硅磨料弹性磨头及其夹持系统


为保证凸台严格的几何公差精度,要求使用铣削刀塔夹持磨头,控制车刀刀塔在线修整磨头端面。推荐使用PCD聚晶金刚石车刀,如条件允许,可使用单晶金刚石车刀或金刚石笔。修整后的磨头需满足无毛刺等多余物、表面平整连续及安装后轴向圆跳动量≤0.01mm等条件。


加工过程中,磨头会发生以下形式的磨损:磨头端面表面质量下降,出现环形轻微磨损痕迹;随着时间延长,磨损区域颜色不断加深,此时如不及时修整,磨损区域将产生环形凹陷。此时磨头的修磨精度将大大降低,且会在凸台边缘形成较大的倒圆,破坏尺寸精度及密封面形状,导致零件报废。在加工时需及时检查磨头形貌,禁止钝刀加工,及时修整磨头。弹性磨头磨损如图4所示。


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a)修整后未使用的磨头


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b)接近修磨点的磨头


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c)未能及时修磨的磨头

图4 弹性磨头磨损示意


加工时需注意:应依据磨削量及磨削效率要求设置适合的刀具长度补偿值,保证磨头在加工过程中存在一定的弹性变形,提供可靠的磨削力。若弹性变形量过小,磨削力过小,则将造成加工效率低、车削加工痕迹无法去除及加工表面质量下降等问题;若弹性变形量过大,则将造成磨头与凸台边缘接触线局部变形过大,形成塌边等加工缺陷。经过多次工艺试验验证,确定弹性变形量为0.15~0.25mm。


3.3 磨削及抛光方法


粗磨时采取铣磨磨削的加工方法,以磨头端面抛光凸台端面。高速旋转的磨头沿凸台径向直线走刀,零件低速进给转动。粗磨可较高效率地去除加工缺陷。


精抛光时采用成形磨削的方法,以磨头端面抛光凸台端面。高速旋转的磨头沿凸台轴向运动进给,零件不转动。当刀具完成进给后,在零件端面停留3~5s。精抛光可有效提高气密面的表面质量。


查阅相关文献得知,磨头转速增大,材料去除率增大,工件表面粗糙度值减小[5]。这与工艺试验现象相符合。但是由于同时磨头的磨损速度加快,因此主轴转速应当适中。


粗磨时磨头转速n=1500r/min,进给速度vf=20mm/min,零件转速n1=200r/min,进给量为0.05mm/行程。精抛光时磨头转速n=3000r/min,进给速度vf=10mm/min。


检验时需注意:使用显微放大镜观测表面,零件加工表面需存在均匀的同心圆状刀纹,且无沿径向划痕、烧伤及裂纹等加工缺陷。


PART 4  改进措施的验证


经过上述工艺改进,对零件进行加工工艺验证。需注意:加工前应保证切削液经过滤后无切屑;完成加工后,切削液需及时更换,防止磨料进入机床导轨等处,否则长期使用会损伤机床精度。


采用如下两种方法进行加工验证。


1)方法1:在粗、精抛光时均选择成形磨削加工。


2)方法2:在粗抛光时选择铣磨磨削,精抛光时选择成形磨削加工。


两者均设置相同的加工参数。方法1加工效果如图5所示,加工表面存在间隔不等的深色沟壑,为未去除的车刀加工痕迹,其表面质量不佳。方法2加工效果如图6所示,加工纹理细腻均匀,无车削加工痕迹及划痕。


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图5 方法1加工效果


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图6 方法2加工效果


经过对比可以看出,方法2可彻底去除车刀痕,保证抛光面平整,刀纹更细腻均匀,优于方法1。


使用三坐标测量机对零件抛光后的尺寸及几何公差进行测量,结果见表1。


表1 零件抛光后的尺寸及几何公差(单位:mm)

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由表1可看出,抛光去除量约为0.01mm,加工后几何公差精度得到提高,表面质量明显提高。为验证加工后效果,将抛光后零件进行气密性试验,在16MPa气压条件下,零件气密性功能满足要求,证明改进措施有效。


PART 5  结束语


本项工艺改进充分利用多轴数控设备,解决了钛合金材料抛光工艺中的难题,提高了密封面表面质量。在阀体类零件加工过程中,使用此类弹性磨头也可进行数控去除刀纹、清理毛刺尖边等操作,可取得较好的加工效果。

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