薛露平，葉　暉，許維超

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

基于均勻設(shè)計(jì)的鈦合金化銑工藝研究與應(yīng)用

薛露平，葉暉，許維超

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

化學(xué)銑切是一種能使表面形狀復(fù)雜、加工精度要求高的零件達(dá)到加工要求的表面處理方法。簡(jiǎn)要介紹了鈦合金化學(xué)銑切的工藝方法，闡述了化學(xué)銑切的反應(yīng)機(jī)理，并在均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上討論了化學(xué)銑切溫度和溶液配方對(duì)鈦合金產(chǎn)品化學(xué)銑切質(zhì)量的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析確定了最優(yōu)的化學(xué)銑切工藝方案，分析表明驗(yàn)證結(jié)果與理論是相符的，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

鈦合金化學(xué)銑切；均勻設(shè)計(jì)；銑切速度；浸蝕比

0　引言

鈦合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高、抗斷裂和耐蝕性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使其在液體軌姿控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)頭部隔熱框制造中得到應(yīng)用。如圖1所示，隔熱框多為薄壁棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，且需在薄壁上加工多個(gè)尺寸精度要求較高的窗口。由于鈦合金具有屈強(qiáng)比高、彈性模量低、回彈大、易粘模具和切削溫度高等特點(diǎn)，使得此類薄壁異形零件窗口的精加工難以通過(guò)常規(guī)機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)[1-2]。為此，常采用化學(xué)銑切代替常規(guī)的機(jī)械加工。與其他加工方法相比，化學(xué)銑切具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，加工精度高，不產(chǎn)生切削應(yīng)力，零件無(wú)變形，并可同時(shí)加工多個(gè)零件等眾多優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

圖1　隔熱框結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structural diagram of thermal insulation frame

鈦合金化銑是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜過(guò)程。以往人們通過(guò)確定單一因素對(duì)銑切質(zhì)量效果的影響來(lái)認(rèn)識(shí)化銑過(guò)程的主要特征[5-6]，但單一因素法未考慮到全因素的交互作用。為了更全面地了解化銑過(guò)程中各因素對(duì)化銑質(zhì)量的影響作用，本文將采用均勻設(shè)計(jì)開(kāi)展化銑工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。均勻設(shè)計(jì)是將數(shù)論與多元統(tǒng)計(jì)相結(jié)合而建立起來(lái)的一種試驗(yàn)方法，這一成果已在我國(guó)許多行業(yè)中取得了重大成果。均勻設(shè)計(jì)適合于多因素多水平試驗(yàn)，可使試驗(yàn)處理數(shù)目減少到最小程度，僅等于因素水平個(gè)數(shù)。盡管均勻設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的試驗(yàn)處理量，但仍能反映事物變化的主要規(guī)律[7]。

本文采用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)有工藝參數(shù)，對(duì)鈦合金化學(xué)銑切過(guò)程中各影響因素進(jìn)行詳細(xì)的討論分析并確定了最優(yōu)的銑切方案。

1　試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料及流程

試驗(yàn)材料：TC4，長(zhǎng)80×寬50×厚1.5，mm。

試驗(yàn)流程：鈦合金零件化學(xué)銑切流程如圖2所示。

圖2　化銑工藝流程圖Fig.2　Process flow diagram of chemical milling

1.2化學(xué)銑切的反應(yīng)機(jī)理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

鈦合金化銑是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)有選擇、可控制地切除金屬，從而達(dá)到加工零件的目的。其化銑溶液通常由腐蝕劑、氧化劑、添加劑組成。由于鈦本身固有的抗蝕性，選用HF作為腐蝕劑來(lái)加速鈦的腐蝕溶解；HNO3作為氧化劑，主要作用是提高化銑表面的光潔度；添加劑使用十二烷基苯磺酸鈉，目的是提高化銑溶液的壽命[6]。具體反應(yīng)過(guò)程如下：

同時(shí)TiO(NO3)2鈍化膜被氫氟酸溶解：

隨著化學(xué)反應(yīng)的周而復(fù)始，銑切加工不斷的進(jìn)行。

如圖3所示，在化學(xué)銑切過(guò)程中，銑切垂直于零件表面進(jìn)行，同時(shí)保護(hù)材料下面也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，其寬度等于銑切深度乘浸蝕比。因而生產(chǎn)中銑切速度和浸蝕比是化銑質(zhì)量重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

銑切速率：V=b/t

浸蝕比：P=a/b

式中：a為側(cè)向銑切量；b為垂直銑切量；t為銑切時(shí)間。

圖3　浸蝕比(a:b)Fig.3　Erosion ratio(a:b)

1.3均勻設(shè)計(jì)方案

均勻設(shè)計(jì)是一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是如何在試驗(yàn)域內(nèi)最有效地選擇試驗(yàn)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)得到響應(yīng)的觀測(cè)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析求得達(dá)到最優(yōu)響應(yīng)值的試驗(yàn)條件。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要用最少的試驗(yàn)取得關(guān)于系統(tǒng)盡可能充分的信息[7-8]。均勻設(shè)計(jì)可以較好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，尤其對(duì)多因素多水平的試驗(yàn)。

均勻設(shè)計(jì)的標(biāo)志：Un（rl）

式中：U為均勻表代號(hào)；n為均勻表橫行數(shù)（需要做的試驗(yàn)次數(shù)）；r為因素水平數(shù)，與n相等；l為均勻表縱列數(shù)。

據(jù)鈦合金化學(xué)銑切工藝參數(shù)，確定該試驗(yàn)為4因子（溫度、鈦離子濃度、HF和HNO3的含量），由m/2+1=因素?cái)?shù)，得m=6，n=m+1=7（在均勻設(shè)計(jì)表中，m為列數(shù)，n為試驗(yàn)次數(shù)和水平數(shù)），所以選擇U7（76）表 (表1)，使用表見(jiàn)表2。氫氟酸工藝要求為50～80 g/L，若分為7水平，每個(gè)水平間隔為5 g/L，為滿足均勻設(shè)計(jì)“均勻分散”的原則，且鈦合金在化銑過(guò)程中，溶液成分、溫度、鈦離子濃度的變化較快，范圍較窄不易控制。所以將溫度、鈦離子濃度、硝酸含量適當(dāng)放寬（溫度：35～65℃；鈦離子：0～24 g/L；HNO3∶70～100 g/L），分為7個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

表1　U7（76）Tab.1　U7（76）

表2　U7（76）使用表Tab.2　Application table of U7（76）

在參數(shù)方案設(shè)計(jì)中，以化銑溫度、鈦離子濃度、氫氟酸和硝酸含量作為正交設(shè)計(jì)的4個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置7個(gè)水平，均勻設(shè)計(jì)水平表見(jiàn)表3。

表3　化銑參數(shù)均勻設(shè)計(jì)水平表Tab.3　Uniform design of chemical milling parameters

試驗(yàn)選用4因素7水平的均勻設(shè)計(jì)方案U7（76），其試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方案見(jiàn)表4。

表4　方案設(shè)置Tab.4　Setting up of scheme

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按表4試驗(yàn)方案進(jìn)行7組不同參數(shù)組合試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從試驗(yàn)結(jié)果可知，銑切速度和浸蝕比隨工藝參數(shù)的改變有較大波動(dòng)。

2.2逐步回歸分析

利用Minitab軟件分別以銑切速度和浸蝕比為響應(yīng)變量，以鈦離子濃度、HF含量、HNO3含量和溫度為預(yù)測(cè)變量，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析。表6為銑切速度和各因數(shù)分析結(jié)果，結(jié)果表明溫度和HF的含量為銑切速度主要影響因子。

表5　試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.5　Recorded test data

表6　銑切速度與各影響因數(shù)逐步回歸分析Tab.6　Stepwise regression analysis of milling velocity and impact factors

浸蝕比和各因數(shù)的逐步回歸分析結(jié)果見(jiàn)表7，結(jié)果表明溫度、HF和HNO3的含量是浸蝕比的主要影響因數(shù)。

表7　浸蝕比與各影響因數(shù)逐步回歸分析Tab.7　Stepwise regression analysis of erosion ratio and impact factors

2.3回歸分析

為進(jìn)一步分析各工藝參數(shù)對(duì)銑切質(zhì)量的交互影響，利用Minitab分別對(duì)銑切速度和浸蝕比進(jìn)行回歸分析，得出具體的回歸方程。

由銑切速度回歸分析（見(jiàn)表8） 獲得銑切速度與溫度、HF含量的回歸方程：

式中：V表示銑切速度；T為溫度；CF為HF的含量。

從方程可知，銑切速度和溫度、HF的含量成正比。

由浸蝕比回歸分析（見(jiàn)表9）獲得浸蝕比與鈦離子濃度、HF、HNO3含量回歸方程：

式中：P表示浸蝕比，CT為鈦離子濃度，CF為HF的含量，CN為HNO3的含量。

從方程可知，HF的含量越高，浸蝕比越大，溫度和HNO3的含量越高，浸蝕比越小。

2.4參數(shù)優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)中，一般控制銑切速度V≈40 μm/min，浸蝕比P≈0.9，可以獲得較好的銑切質(zhì)量，且能控制溶液溫度不會(huì)升溫過(guò)快。所以根據(jù)回歸方程：V=-0.0922+0.00189T+0.000735CF得：

根據(jù)回歸方程P=1.21－0.0219CT+0.0156CF－0.0108CN得：

表8　銑切速度與溫度、HF含量回歸分析結(jié)果Tab.8　Regression analysis results of milling velocity,temperature and HF content

表9　浸蝕比與鈦離子濃度、HF、HNO3含量回歸分析結(jié)果Tab.9　Regression analysis results of erosion ratio,Ti ionic concentration,HF,HNO3content

在化銑加工過(guò)程中，必須同時(shí)考慮銑切速度和浸蝕比，根據(jù)以上兩個(gè)方程，得出在不同鈦離子濃度下的工藝參數(shù)方案（表10）。

表10　工藝參數(shù)控制Tab.10　Control of technological parameters

3　方案驗(yàn)證

根據(jù)表10參數(shù)控制要求，選擇一組工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：T=40～45℃，CT=15.79 g/L，CF/ CN=65/95。加工的試驗(yàn)件浸蝕比為0.86，銑切速度為37.5 μm/min，滿足對(duì)鈦合金化銑產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，說(shuō)明表10制定的工藝參數(shù)控制方案有效、準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

1）銑切速度主要受溫度和HF濃度影響，與溫度和HF濃度成正比；

2） 浸蝕比與溫度、HNO3濃度成反比，與HF含量成正比；

3） 通過(guò)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)、分析，得出鈦合金化銑工藝的參數(shù)控制方案且經(jīng)驗(yàn)證有效。

[1]雒亞濤,王相勇.鈦合金弧板類零件沖壓成型回彈仿真計(jì)算[J].火箭推進(jìn),2014,40(2):72-76. LUO Yatao,WANG Xiangyong.Simulating calculation for spring-back magnitude of titanium alloy plates with arc formed by stamping[J].Journal of rocket propulsion,2014, 40(2):72-76.

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（編輯：陳紅霞）

Study and application of chemical milling technology of Ti alloy based on uniform design

XUE Luping,YE Hui,XU Weichao
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

Chemical milling is a surface processing method which can make the parts with complicated surface and high roughness achieve the processing requirements.In this paper,the chemical milling technology for titanium alloy is introduced briefly,the reaction mechanism of titanium alloy chemical milling is described,and the influence of chemical milling temperature and solution formulation on the chemical milling quality of the Ti alloy are discussed on the basis of experiment of the uniform design.The best scheme of the chemical milling technology was determined on the basis of regression analysis of the experimental data.The discussion and analysis results show that the verification result is consistent with the theoretical calculation result,which can provide a guidance for the actual production.

chemical milling of Ti alloy;uniform design;milling velocity;erosion ratio

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0097-06

2016-08-09；

2016-09-13

薛露平（1985—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)表面工程