某鈦合金材料零件車銑復(fù)合工藝技術(shù)研究

潘玉良 李炎臻 朱麒元

摘 要：在現(xiàn)代航空業(yè)，金屬鈦?zhàn)鳛橐环N新型的最為不可或缺的金屬元素備受航空從業(yè)者的關(guān)注。鈦高溫合金在真空的條件下熔煉主要是金屬元素鈦為基礎(chǔ)的合金材料，而且鈦高溫合金的制造過程也是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，期間采用了各種工藝進(jìn)行了加工強(qiáng)化，只有這樣才能使鈦合金材料的熱強(qiáng)度性、熱穩(wěn)定性能極高，并且能適應(yīng)飛機(jī)飛行中發(fā)動機(jī)因高速運(yùn)行所產(chǎn)生的至少在800℃以上的高溫環(huán)境。

鈦合金材料的優(yōu)點(diǎn)使其為航空制造業(yè)所青睞，但是同時也給加工制造航空發(fā)動機(jī)的行業(yè)帶來相當(dāng)大的難度。由于鈦合金材料在實(shí)際加工過程中一般采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小切深的加工技術(shù)，但是我國加工鈦合金材料的加工工藝不成熟。加工時零件對刀具的沖擊非常大，對刀具性能、加工效率、零件性能都造成了很大的影響，極其容易造成刀具的崩刃，甚至導(dǎo)致零件報廢。本文主要對于現(xiàn)階段某鈦合金零件車銑加工工藝的優(yōu)化進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：鈦合金；復(fù)合加工；零件

中圖分類號：TG50 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

航空飛機(jī)制造業(yè)主要經(jīng)歷了大約100多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進(jìn)步，制造技術(shù)的不斷提高，從 “活塞動力”-螺旋槳動力系統(tǒng)逐步走向“噴氣動力”-燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的新階段。噴氣動力發(fā)動機(jī)很好地適用于軍用航空領(lǐng)域和民用市場需求。

航空制造業(yè)作為一個高投入、周期長、風(fēng)險高的國家戰(zhàn)略型的高科技產(chǎn)業(yè)代表著一個國家的綜合國力。航空制造業(yè)中軍用飛機(jī)領(lǐng)域不光是軍需市場需求大，而且對國家軍事安全有著重大影響；民用飛機(jī)領(lǐng)域則是航空運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，是推進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、全球一體化進(jìn)程的巨大動力。航空制造業(yè)可以說是新時代軍民融合，推動社會進(jìn)步的典型行業(yè)。

世界上航空制造領(lǐng)域最為先進(jìn)的國家是老牌歐美國家，其起步早，基礎(chǔ)科研領(lǐng)域相對成熟，科研實(shí)力雄厚。其中，民用飛機(jī)領(lǐng)域最具代表的公司有波音公司和道格拉斯公司，可以說已經(jīng)取得噴漆干線科技領(lǐng)域的絕對領(lǐng)導(dǎo)地位。英、法、德在20世紀(jì)中后期在航空制造領(lǐng)域開展了廣泛的跨國項(xiàng)目合作，最為著名的合作項(xiàng)目是“協(xié)和”超聲速客機(jī)及“奧林帕斯”發(fā)動機(jī)以及到后來成立了空中客車公司，與美國波音公司并列為世界干線科技兩大巨頭。近代崛起的亞洲四小龍之一的日本民用飛機(jī)制造水平極高，是世界上最主要的先進(jìn)民用客機(jī)大部件研制生產(chǎn)國，已經(jīng)成功研制新型噴氣式運(yùn)輸機(jī)。

在當(dāng)代中國，航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)是現(xiàn)代航空制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是中國國防科技力量的重要一環(huán)，從而備受廣大科研工作者的重視。在航空飛機(jī)研究領(lǐng)域中，由于航空發(fā)動機(jī)工作環(huán)境和安全性能等原因，因此對發(fā)動機(jī)上的部件的制造材料性能如比強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能、熱強(qiáng)性和耐腐蝕等條件要求苛刻。而鈦合金材料在這些性能上面表現(xiàn)出色，被廣泛地應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)外殼、噴管、航天飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等關(guān)鍵部位。例如，著名的阿波羅登月飛機(jī)的主要制造材料就是鈦合金材料。但是現(xiàn)階段國內(nèi)在鈦合金材料領(lǐng)域內(nèi)機(jī)械加工水平整體不高，毛料一致性不好，在高速切削加工過程中，極易發(fā)生變形，所以在精加工階段由于精度、變形、冷卻等因素的限制仍多采用傳統(tǒng)的低速切削。

1 加工夾具，刀具選擇

風(fēng)扇后軸頸零件主要在典型的四代航空飛機(jī)發(fā)動機(jī)工作中起到承力和傳扭作用的軸向連接結(jié)構(gòu)。由于該零件是四代航空飛機(jī)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部位，出于安全等方面，所以對零件加工后精度要求較高。但是現(xiàn)階段國內(nèi)生產(chǎn)的傳統(tǒng)車床、銑床無法滿足其高精度的加工需求，只能使用進(jìn)口專用高精度機(jī)床進(jìn)行加工。與機(jī)械加工機(jī)床面對相同的問題是加工過程中所使用的夾具。夾具不光起到固定、裝夾零件的作用，而且直接影響機(jī)床加工系統(tǒng)的剛性和精度。

該零件在粗加工時，由于毛坯相對于最終產(chǎn)品的加工余量一般相對較大，采用四爪卡盤或者三爪卡盤在機(jī)床上固定零件（這里主要四爪或者三爪卡盤的選擇取決于機(jī)床）一般能夠滿足切削系統(tǒng)的剛性要求。但是，到精車及鉆、銑、孔階段，通用的四爪卡盤或者三爪卡盤裝夾零件，極易發(fā)生變形、跑偏，不能滿足零件的精度要求，需要使用專用的壓緊類工裝。

其次，風(fēng)扇后軸頸零件主要材料鈦合金雖然熱穩(wěn)定性好、熱強(qiáng)度高，但是導(dǎo)熱性相對于其他高溫合金較為差，韌性卻相對較好，這使得在機(jī)械加工過程中，刀尖的溫度相對較高，磨損相對較為嚴(yán)重，相當(dāng)影響刀具的使用壽命，精度。

綜上所述，為保證風(fēng)扇后軸頸零件各高精度尺寸合格加工，在精加工階段需要保證系統(tǒng)具備足夠的剛度。機(jī)床和刀具的剛度足以保證加工剛度要求，而加工時采用小切削參數(shù)以降低切削力，采用多個壓緊點(diǎn)壓緊零件剛性相對更好的實(shí)體表面是解決零件自身剛度差及裝夾剛度差的關(guān)鍵方法。

2 車銑復(fù)合加工工藝路線

在實(shí)際的機(jī)械加工過程中講究工序細(xì)化，工種分開加工，工藝路線中各工序的劃分主要根據(jù)產(chǎn)品毛料狀態(tài)、加工余量等參數(shù)，這樣整體工藝路線雖然有些冗長但是準(zhǔn)確有序，而且在特定工序需要專用工裝，非常有利于控制機(jī)械生產(chǎn)加工的各個環(huán)節(jié)，切實(shí)地保證產(chǎn)品質(zhì)量。但是在航空航天領(lǐng)域里，這種冗長的加工工序無法滿足輕量化、多功能化的零件需求，而且一旦機(jī)械加工的工藝路線過長對尺寸精度，基準(zhǔn)關(guān)系的控制極為不利。

本文主要研究對象為某風(fēng)扇后軸頸零件。該零件是典型的回轉(zhuǎn)零件，主要討論車銑復(fù)合加工該零件的基本工藝路線。該風(fēng)扇后軸頸零件基本尺寸要求如圖1所示。直徑為6mm的深孔長徑比為18∶1；配合外圓直徑為130.033mm±0.006mm；臺階直徑130.988mm±0.12mm，其相對于基準(zhǔn)B的跳動為0.02；軸向配合尺寸21.5mm±0.03mm，其相對于基準(zhǔn)A，B的跳動為0.02；與基準(zhǔn)相距79.5mm±0.03mm，相對于基準(zhǔn)A的平行度0.01，相對于基準(zhǔn)B的垂直度0.015。其中，配合尺寸、工裝設(shè)計(jì)需求、精度要求，技術(shù)條件在現(xiàn)有設(shè)備條件下要求嚴(yán)格，機(jī)械加工相對困難。

機(jī)械加工工藝路線一般從對毛坯開始加工。風(fēng)扇后軸頸零件一般都是采用經(jīng)過固溶時效熱處理后的模鍛件做毛坯，硬度要求在HB大于等于388。傳統(tǒng)工藝在粗車階段將車工序和銑工序分開，由于二次裝夾產(chǎn)生的加工誤差，現(xiàn)將車銑復(fù)合加工設(shè)備，可以保證熱處理后的毛坯一次裝夾后，不需要拆卸。如采用復(fù)合數(shù)控加工設(shè)備，可以按順序完成車、銑、鉆、鏜等多個加工步驟，大大節(jié)省了工序之間的運(yùn)輸、測量裝夾時間，由此優(yōu)化加工工藝路線比傳統(tǒng)加工路線至少減少了8道工序。而在精車階段，由于加工余量所剩不多，對加工精度要求高，更加需要可以通過一次裝夾成型后，直接能實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、擴(kuò)、鉸等加工操作，這樣可以減少了不必要的重復(fù)定位誤差，提高零件的加工質(zhì)量。在現(xiàn)有階段的加工水平中，多采用加工中心，一機(jī)多能，通過以主軸、數(shù)控工作臺立臥轉(zhuǎn)換；數(shù)控工作臺、刀具交換，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多工位、多面、多刀具車、鉆、鏜工藝復(fù)合。風(fēng)扇后軸頸零件作為典型的回轉(zhuǎn)零件在數(shù)控加工中心加工定位孔、異形孔、花邊、卡槽等特征的鉆、鏜、銑加工工作，一般安排在精車去量之后進(jìn)行，即尺寸部分機(jī)械加工完成后再安排特征位置機(jī)械加工。對于精密孔加工，需要著重考慮加工中心各線性軸、回轉(zhuǎn)軸的定位精度及重復(fù)定位精度；對于四軸或五軸銑削，需要保證機(jī)床的剛性及冷卻功能，降低產(chǎn)生振顫甚至打刀的風(fēng)險。這種工藝路線的安排著重考慮機(jī)床精度、零件變形等情況。

綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際情況，數(shù)控加工設(shè)備功能，整個設(shè)備運(yùn)營成本，整個產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，該風(fēng)扇后軸頸零件最為優(yōu)選的加工設(shè)備是五軸車銑加工中心。因此，經(jīng)過總體分析優(yōu)化后工藝路線可以確定為粗車加工→超聲檢測→細(xì)車基準(zhǔn)→細(xì)車一面→細(xì)車二面→消除應(yīng)力熱處理→精車基準(zhǔn)→精車型面→精車孔徑→精車孔槽。

參考文獻(xiàn)

[1]王智超.鈦合金薄壁回轉(zhuǎn)體件的車銑加工研究[J].中國科技縱橫，2011（23）：355.

[2]單東日，張青.我國高速、高精、復(fù)合數(shù)控機(jī)床研發(fā)目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2009，21（6）：38-42.

[3]牛宏寶，張偉.鈦合金的深孔鉆削技術(shù)研究[J].工具技術(shù)，2010（44）：46-48.