□ 熊明和

中國航發(fā)航空科技股份有限公司 成都 610041

1 研究背景

飛機更新?lián)Q代正在加速，其自身結構性能的要求也在不斷提高。改進飛機性能，首先需要從材料入手，既要選用輕型材料來降低機體自重，又要考慮材料的可靠性和經(jīng)濟性?；谶@樣的背景，鋁合金材料在飛機制造中的應用逐漸被滿足高性能要求的新材料所代替。其中，鈦合金材料為飛機設計者所青睞。

目前，國內外軍民機上應用的典型鈦合金材料Ti-6Al-4V（TC4）是20世紀60年代初研制的一種中等強度鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能，被譽為萬能合金，是最早用于飛機結構的通用鈦合金。TC4主要用于飛機結構中的梁、接頭和隔框等中等承力構件及緊固件，以及發(fā)動機風扇與壓氣機盤、軸流穩(wěn)流裝置、葉片等，與鋼材料相比，可減輕結構質量約30%。鈦合金材料由于導熱系數(shù)低、塑性弱、硬度高、彈性模量低、彈性變形大等特點，切削加工性能差，在很大程度上制約了自身的應用。

軸流穩(wěn)流裝置集中了薄壁環(huán)形件和葉片復雜葉型銑削加工的特點，精度要求高，形狀復雜。克服零件加工過程中的變形，并控制大過盈量的裝配變形是加工中的關鍵。

筆者通過對復雜形體鈦合金零件車削、銑削加工與裝配過程的工藝擬定及難點進行分析，為今后類似零件的加工提供參考［1-5］。

2 工藝分析

所要加工的復雜形體鈦合金零件為某型號飛機發(fā)動機軸流穩(wěn)流裝置，由內外環(huán)裝配而成，如圖1所示。該零件主要加工特點如下：①零件材料為TC4鈦合金模鍛件，加工余量大；②由內外環(huán)通過過盈配合裝配而成，單邊最大過盈量為0.25 mm；③ 外環(huán)加工難點是型面復雜，壁薄，要求高；內孔尺寸φ390+0.055mm的跳動要求為0.051 mm，表面粗糙度值為1.6 μm；④內環(huán)由72個均勻分布的徑向葉片組成，葉型對基準的面輪廓度要求為0.152 mm，葉型面粗糙度值為1.6 μm；⑤裝配完成后端面平面度在自由狀態(tài)下保證0.15 mm，保證φ394+0.0880mm對基準B和φ401.040-0.1mm對基準E的加工尺寸要求。

3 工藝流程擬定

基于對零件材料性能、設計圖要求和加工難點的分析，分別確定內環(huán)、外環(huán)和組件的工藝流程。

外環(huán)結構形狀復雜，薄壁最薄處只有1.5 mm，剛性差，精度要求高，加工余量大，擬定的工藝流程如圖2所示。在粗加工階段，主要是切除大余量，半精加工階段對外型面和裝配面完成加工，為裝配做準備。

內環(huán)上有72個均勻分布的徑向葉片，葉片有0.152 mm面輪廓度要求，在內環(huán)壁最薄處只有1.27 mm，尺寸要求高，屬于復雜葉型，加工過程中要克服零件的變形，擬定的工藝流程如圖3所示。

最終零件由內外環(huán)通過過盈配合裝配而成，通過加熱法裝配組件后，加工端面法蘭邊基準B、E，鉆端面孔，并銑端面型面，擬定的工藝流程如圖4所示。

4 工藝難點

和加工鋼材料相比，加工鈦合金材料需要的切削力略大，而鈦合金材料的金屬結構決定了它們在同等硬度下比鋼材料加工更困難。鈦合金材料的切削加工性能比較差，主要原因分析如下。

（1）熱傳導性差。鈦合金材料的導熱系數(shù)小，切屑與刀具前刀面的接觸長度極短，切削時產(chǎn)生的熱量不易傳出，熱量集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，切削溫度很高。鈦合金材料的比熱容小，加工時局部溫度上升很快，因此造成刀具溫度很高，刀尖急劇磨損，使用壽命縮短。

（2）彈性模量低。鈦合金材料彈性變形大，已加工表面容易產(chǎn)生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴重，易引起刀具后刀面與已加工表面產(chǎn)生強烈摩擦，從而加劇刀具磨損，產(chǎn)生崩刃。

（3）刀具損壞嚴重。在刀具工作區(qū)間，鈦和其它金屬有形成合金或化學反應的強烈趨勢，使材料強度增大，塑性下降，這會引起刀具燒焦、黏結和快速損壞。

鈦合金材料切削過程中的特點使加工較為困難，影響加工效率。

▲圖1 軸流穩(wěn)流裝置示意圖

▲圖2 外環(huán)加工工藝流程

▲圖3 內環(huán)加工工藝流程

▲圖4 組件加工工藝流程

外環(huán)是典型的薄壁環(huán)形件，結構形狀復雜，壁薄，剛性差，精度要求高，加工余量大，克服車削加工中的變形是關鍵。

內環(huán)的葉型復雜，精度高，銑削量大，材料剛性差，克服銑削變形及保證葉型要求是加工中的關鍵。

軸流穩(wěn)流裝置組件由內外環(huán)通過過盈配合裝配而成，結構形狀復雜，薄壁最薄處只有1.27 mm，剛性差，精度要求高，加工余量大，克服加工變形和裝配變形是加工中的關鍵。

5 解決措施

5.1 加工準備

針對鈦合金材料的性質和切削過程中的特點，加工時應從刀具選用、切削參數(shù)合理選擇、加工過程充分冷卻等方面考慮。

（1）刀具的硬度和耐磨性高。刀具材料的硬度必須比零件材料高，一般洛氏硬度（HRC）都在60以上。耐磨性是指材料抵抗磨損的能力，一般刀具材料硬度越高，耐磨性就越好。

（2）刀具有足夠的強度和韌性。刀具由于切削鈦合金材料時要承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。

（3）刀具的耐熱性強。耐熱性指刀具材料在高溫下保持一定硬度、耐磨性、強度和韌性的性能，也包括刀具材料在高溫下抗氧化、黏結、擴散的性能。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要指標，是加工鈦合金材料時刀具選擇的最重要參數(shù)。

（4）刀具材料與鈦合金材料的親和力要差。由于鈦的化學活性高，因此要避免刀具材料與鈦形成熔敷、擴散，進而成為合金，造成黏刀、燒刀現(xiàn)象。國內外刀具多種材料切削試驗表明，采用鎢鈷類刀具效果較理想。鈷的主要作用是加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，導熱性好，強度也較高，同時具有較高的韌性、耐磨性和良好的散熱性。

（5）選擇合理的刀具幾何參數(shù)。采用較小的前角和較大的后角以增加切屑與前刀面的接觸長度，并減小工件與后刀面的摩擦。刀尖采用圓弧過渡，以提高刀具強度，避免刀尖燒損和崩刃。

（6）改善切削條件。機床-刀具-夾具的系統(tǒng)剛性要好，機床各部分間隙要調整好，主軸的徑向跳動要小。刀具切削部分要盡量短，在容屑足夠的情況下盡量加大切削刃厚度，提高刀具的強度和剛度。夾具要有足夠的剛性，裝夾零件牢固。

（7）選擇合適的切削用量。切削速度要低，因為切削速度對切削刃的溫度影響較大，如果切削速度高，那么切削刃溫度劇增，會直接影響刀具壽命。進給量要適中，過大容易產(chǎn)生燒刀，過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快。此外，進給量最好大于0.10 mm。切削深度要大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。

（8）加工時要保證切削液充分冷卻。切削液可以將刀刃的大部分熱量帶走及沖走切屑，降低切削溫度。有效的冷卻和合理應用切削液可以提高生產(chǎn)率，改善被加工零件表面質量［6-10］。

5.2 外環(huán)加工

外環(huán)是典型的薄壁環(huán)形件，克服車削加工中的變形是關鍵，采取以下幾方面措施來保證。

（1）外環(huán)毛坯為模鍛件，余量大，將加工分為粗加工、半精加工和精加工三階段來完成。粗加工階段要切除大部分余量，需采用剛性好的機床，具有大切削量。半精加工階段用來修正和加工不重要表面。精加工階段完成零件所有表面的加工。

（2）刀具的幾何參數(shù)。 在粗加工階段，需要刀具剛性好，刀具前角要小些，可以選0～3°。在精加工時，為了得到良好的表面完整性和尺寸精度，要求刀具鋒利，所以前角、后角、螺旋角要偏大些，并且刀刃負倒棱最小，一般前角為 8～15°，后角為 8～14°。 刀尖圓弧半徑取0.2～0.6 mm，精車時盡量取大值。具體車刀幾何角度推薦值見表1。

（3）切削參數(shù)的選擇。切削深度為0.5～1 mm時的車削用量見表2，切削深度為1～5 mm時相對磨損最小的車削用量，見表3。

表1 車刀幾何角度推薦值

表2 切削深度0.5～1 mm時的車削用量

5.3 內環(huán)加工

內環(huán)的葉型復雜，精度高，銑削量大，零件剛性差，主要通過以下幾個措施來解決。

（1）合理設計工藝流程。零件內環(huán)最終徑向厚度只有1.27 mm,銑削葉型時切削力大，容易變形。在加工時，保留內環(huán)內型加工尺寸盡可能小，即材料保留盡可能多，增大剛性。毛坯來料時內孔尺寸為φ363 mm，考慮加工內孔的完整性，將內孔工藝尺寸定為φ364+0.050mm，同時可借助該孔作為銑削加工的定位基準。內型面尺寸在裝配完成后再通過精加工保證。在銑削加工中分工步完成，具體分為粗銑葉型、半精銑葉型、精銑葉型、精銑輪廓。

（2）夾具的改進設計。原設計的夾具只考慮端面支撐，內孔定位為剛性接觸，零件內孔與夾具有一定間隙。銑削加工時，引起了內環(huán)徑向變形，圓度值增大，難以保證葉型空間型面輪廓度要求。通過改進夾具結構，將夾具定位改為脹形定位，這樣可以消除夾具與內環(huán)之間的間隙，減小變形，保證葉型的加工要求。

（3）刀具的選擇。鈦合金材料的銑削刀具通常選用硬質合金，可選用YG10H和YG8兩種牌號。前者系亞細顆粒合金，硬度及抗彎強度均高于YG8，耐磨性好，抗沖擊或抗振動性能高，銑削鈦合金材料比較適宜。另一方面，在通用的硬質合金牌號中，YG8的使用效果較好，精銑使用YG6X效果也不錯。內環(huán)葉型為整體銑削而成，銑削余量大，為了保證加工要求，需要在一次裝夾中完成。將銑削分為粗銑和精銑，粗銑選硬質合金φ8 mm立銑刀，精銑選用φ8 mm、R1.1mm整體硬質合金立銑刀。

（4）切削參數(shù)的選擇。內環(huán)銑削為斷續(xù)切削，銑刀容易崩刃，耐用度低，且易與刀齒發(fā)生黏結現(xiàn)象。順銑的切削過程平穩(wěn)，刀齒切削路徑較逆銑短，銑削深度由厚到薄，可以減輕黏刀現(xiàn)象，提高刀具耐用度，降低內環(huán)表面粗糙度值。銑削工藝參數(shù)見表4，表4中D為銑刀直徑。剛性好時，應選較大的每齒進給量，必要時適當降低切削速度。精銑用順銑，粗銑盡可能也采用順銑。

表3 切削深度1～5 mm時的車削用量

表4 鈦合金的銑削工藝參數(shù)

5.4 組件裝配

軸流穩(wěn)流裝置組件由內外環(huán)通過過盈配合裝配而成，為了保證裝配質量，采取如下措施。

（1）加熱外環(huán)，使其受熱膨脹，然后壓入內環(huán)。查閱相關資料得TC4鈦合金線膨脹系數(shù)為8.8×10-6K-1。線性熱變形ΔL=LaΔt，L為物體尺寸，a為線性熱膨脹系數(shù)，Δt為溫度變化量。根據(jù)計算，內外環(huán)的最大過盈量為0.495 mm。L為390 mm，為了保證內環(huán)能順利壓入外環(huán)，且不劃傷內環(huán)表面，按0.55 mm膨脹量來計算加熱溫度：

環(huán)境溫度按20℃計算，所以將外環(huán)加溫到180℃并保溫15 min，使外環(huán)充分變形，通過多件裝配試驗，組件能達到裝配要求。

（2）為了控制加熱變形，防止內外環(huán)因局部接觸而受力不均勻，設計了一套內脹形裝配夾具，如圖5所示。內環(huán)裝入夾具后，夾具將內環(huán)脹圓，充分與外環(huán)接觸，再將外環(huán)法蘭邊用壓板壓緊，充分冷卻后取下組件。

6 切削液的選擇

在切削過程中，刀具與工件、刀具與切屑的表面間有著很大摩擦，使切削力、切削熱和工件變形增大，導致刀具磨損，也影響已加工表面的加工質量。合理選用切削液可以改善金屬切削過程的表面摩擦，減少刀具和切屑的黏結，抑制積屑和鱗刺的生長，進而降低切削溫度，減小工件受熱變形，保證加工精度，減小切削力，提高刀具耐用度和生產(chǎn)效率。

加工鈦合金的切削液需要特殊考慮，實驗室試驗證明，切削液中如果有氯離子存在，會產(chǎn)生有毒物質，并引起加工材料氫脆，甚至腐蝕開裂。

在加工鈦合金材料時，選用水基切削液可以帶走熱量并保持清潔，因此水基切削液成為最佳選擇。全合成水基切削液為低泡型，具有出色的冷卻性能、良好的過濾性能和清潔性能。乳化型水基切削液具有出色的潤滑性能。半合成水基切削液則結合了全合成水基切削液和乳化型水基切削液的優(yōu)點。

有效冷卻和合理應用切削液是提高生產(chǎn)效率和改善材料被加工表面質量的主要措施之一。

▲圖5 內脹形裝配夾具示意圖

7 總結

采用本文所述加工手段加工的軸流穩(wěn)流裝置，通過試制到量產(chǎn)，生產(chǎn)效率得到了很大提高。實踐結果表明，加工工藝方便可行，可為類似零件的鈦合金加工提供參考。隨著新型飛機鈦合金材料的大量使用，應進一步加強鈦合金材料加工工藝路線優(yōu)化，調整加工參數(shù)，選擇更有效的刀具，提高加工效率，保證產(chǎn)品質量。

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