航空發動機鈦合金筒體加工工藝研究

劉曉哲

摘 要：筒體是發動機上的重要零件，結構復雜，尺寸精度及形位公差要求高。由于用TC6鈦合金材料制成，切削性能較差，其質量直接影響組件的強度及密封性。文章對鈦合金筒體的結構特點、材料特點、工藝特點等進行深入分析，從加工方法的選擇、刀具選擇、定位裝夾等方面介紹了鈦合金筒體加工工藝，為同類零件的加工提供參考。

關鍵詞：鈦合金筒體；內孔；密封槽

中圖分類號：V263 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0071-02

1 概述

作動筒主要由筒體、活塞桿組成，在航空發動機上的主要功能是通過活塞桿在筒體內的直線往復運動，將液壓能轉換成機械能，推動加力燃燒室的調節環移動。其中作動筒筒體的加工精度對整個組件的運動靈活性和工作可靠性有著直接影響。因此如何提高作動筒筒體的加工質量是關系到發動機工作可靠性的關鍵之一。文中針對航空發動機鈦合金作動筒筒體（如圖1）的加工工藝進行了梳理和總結。

2 鈦合金作動筒筒體工藝分析

2.1 材料分析

筒體是用TC6鈦合金材料制成，鈦合金材料由于導熱性、塑性較低，彈性模量小等特點，切削性能較差；鈦合金磨削時溫度高，磨削力大，砂輪黏附現象嚴重，因此通常工藝上對鈦合金材料不選擇磨削的加工方法。由于鈦合金自身的切削性能特點，在加工方法的確定、刀具選擇、切削參數的選取及切削液的使用方面要考慮很多因素，給工藝路線安排和加工都帶來了一定的難度。

2.2 結構與精度分析

如圖1所示，此鈦合金筒體從結構上屬于整體結構，零件兩端的外部各有一對接嘴，大端內孔部位壁厚較薄，屬于薄壁結構，在加工中極易變形，影響加工精度。

2.2.1 內孔分析。筒體內孔是作動筒的主要工作表面之一，它的尺寸精度、形狀精度要求均比較高。但由于零件屬于薄壁件，最小壁厚2mm左右，內孔尺寸精度要求7級，表面粗糙度要求Ra0.20μm，對基準的跳動要求為0.03mm；且零件外部帶有接嘴（如圖1），這種結構對加工時的定位裝夾提出了更高的要求。

2.2.2 密封槽的要求。筒體密封槽的尺寸和形狀精度直接影響筒體裝配后的密封性能，因此設計圖對密封槽的尺寸精度及表面粗糙度要求也較為嚴格，而且對于槽口尖邊也需要嚴格控制，避免劃傷槽內的密封圈，影響密封；同時對4個密封槽底的同軸度也進行了限制，同時要求密封槽孔表面對基準的跳動為0.04等。

2.3 工藝分析

2.3.1 設備的選擇。筒體精度要求高，材料切削性能差，因此設備應選擇精度高且穩定的數控加工設備；又考慮到鈦合金筒體的結構特點，優先選擇復合加工設備，以確保筒體兩端內孔之間的位置精度，減少裝夾次數。

2.3.2 加工方法的選擇。為保證筒體內孔加工精度及表面粗糙度，結合筒體材料為鈦合金不易磨削的特點，選用珩磨的方法做為精加工工序。而珩磨之前內孔的半精加工工序也選擇為精密車削加工。

2.3.3 刀具的選擇。結合鈦合金的材料特點，加工鈦合金零件一般選用由硬質合金類刀具，如鎢鈷類硬質合金、含鈷高速鋼、鋁或釩高速鋼。在選擇硬質合金類鈦合金刀具時，不應選擇鎢鈦類或TiC和TiN涂層刀具；選擇高速鋼刀具時加工效率較低，容易磨損。

2.3.4 切削液的選擇。加工鈦合金時，應該選擇合適的切削液，將刀具和零件上的熱量帶走，同時帶走切屑，達到降低切削力的作用，也是提高加工效率、改善零件加工表面質量的重要方法之一。加工鈦合金常用的切削液包括水或堿性水溶液、水基可溶性油質溶液及非水溶性油質溶液。

3 筒體加工工藝

根據上述分析，經過優化改進，確定鈦合金筒體主要的加工工藝路線如下：

毛坯→粗車兩端→粗銑外形→鉆大端孔→精車外圓→粗鏜孔→精鏜孔→粗珩磨內孔→鉆鏜孔→鏜槽→車接嘴→鏜小端內孔→中間檢驗→精銑外形→精鏜孔、槽及螺紋→銑螺紋及銑槽→鉆鎖絲孔→精珩內孔→去毛刺→熒光檢查→終檢

3.1 內孔的半精加工

對圖1（b）所示的大端內孔的加工，由于筒體結構所限，內孔半精加工選用車削方法，加工用的夾具屬于“半瓦”式結構，如圖2所示，夾具與零件的配合間隙控制在0.02mm以內，減小零件的變形空間。

鈦合金的彈性模量小，在加工時極易產生較大變形、扭曲，加工精度不易保證。因此使用夾具時，要控制裝夾力，鎖緊夾具上的壓緊螺栓時要用力均勻、合適，不能過大，防止將薄壁筒體壓變形；也不能太小，防止零件裝夾不牢，加工時竄動，影響精度，或者加工時零件飛出傷人。筒體裝夾好后，加工時要分多次進刀，減小切削力，防止筒體裝夾變形及回彈變形，保證內孔加工精度。

3.2 內孔的珩磨

鈦合金磨削性能較差，這是由于鈦合金強度、韌性大，高溫下化學活性強，使磨削條件惡化，磨削時容易產生磨削微裂紋及磨削燒傷。因此內孔的精加工選用珩磨方法。

珩磨實質上是磨削的特殊形式，切削速度低，冷卻條件好，是低速大面積接觸的精加工。經多方收集數據，反復試驗，確定筒體在精車內孔后，先后安排粗珩內孔及精珩內孔保證內孔質量（如圖3所示）。

3.3 密封槽的加工

筒體上的密封槽精度要求較高，并且是4個相同的密封槽。因此工藝安排上不僅要保證加工質量，還要考慮加工效率。工藝路線中安排先在數控車床上粗車帶密封槽的零件小端內外表面，然后選用復合車削中心，精鏜孔及密封槽、車小頭螺紋工序。

3.4 小端螺紋的數控加工

如圖4所示，按設計要求，筒體小端螺紋的精度為6級，且對基準跳動為0.1mm。綜合考慮螺紋精度及加工效率，選擇車螺紋的方法，在復合車削中心設備上，精加工小端內孔及密封槽工序，同時車削小端螺紋，加工后螺紋精度高、質量穩定，效率高。

4 結束語

針對筒體內孔尺寸精度及形狀精度要求高，而鈦合金磨削性能差的特點，縮小內孔車削夾具的配合間隙；同時將珩磨內孔分為粗精珩，并將切削用量固化，提高內孔加工精度。

充分利用數控設備及加工中心的復合加工功能，將內孔、密封槽、螺紋等特征合并加工，提高加工精度、質量穩定性，同時提高了加工效率。

為保證筒體內孔的高效加工，在精加工工序前增加鉆孔工序和鏜槽工序，先去除內孔大部分余量，減小精加工的余量，提高加工效率。

參考文獻：

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