復(fù)雜形體鈦合金零件的加工工藝研究

□ 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(jī)更新?lián)Q代正在加速，其自身結(jié)構(gòu)性能的要求也在不斷提高。改進(jìn)飛機(jī)性能，首先需要從材料入手，既要選用輕型材料來降低機(jī)體自重，又要考慮材料的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。基于這樣的背景，鋁合金材料在飛機(jī)制造中的應(yīng)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(jī)設(shè)計者所青睞。

目前，國內(nèi)外軍民機(jī)上應(yīng)用的典型鈦合金材料Ti-6Al-4V（TC4）是20世紀(jì)60年代初研制的一種中等強(qiáng)度鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能，被譽(yù)為萬能合金，是最早用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的通用鈦合金。TC4主要用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔框等中等承力構(gòu)件及緊固件，以及發(fā)動機(jī)風(fēng)扇與壓氣機(jī)盤、軸流穩(wěn)流裝置、葉片等，與鋼材料相比，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量約30%。鈦合金材料由于導(dǎo)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(yīng)用。

軸流穩(wěn)流裝置集中了薄壁環(huán)形件和葉片復(fù)雜葉型銑削加工的特點，精度要求高，形狀復(fù)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(guān)鍵。

筆者通過對復(fù)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(jìn)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(fù)雜形體鈦合金零件為某型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)軸流穩(wěn)流裝置，由內(nèi)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(nèi)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(fù)雜，壁薄，要求高；內(nèi)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(nèi)環(huán)由72個均勻分布的徑向葉片組成，葉型對基準(zhǔn)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(zhǔn)B和φ401.040-0.1mm對基準(zhǔn)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(shè)計圖要求和加工難點的分析，分別確定內(nèi)環(huán)、外環(huán)和組件的工藝流程。

外環(huán)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(zhǔn)備。

內(nèi)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(nèi)環(huán)壁最薄處只有1.27 mm，尺寸要求高，屬于復(fù)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(nèi)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)性差。鈦合金材料的導(dǎo)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(nèi)，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(yán)重，易引起刀具后刀面與已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，從而加劇刀具磨損，產(chǎn)生崩刃。

（3）刀具損壞嚴(yán)重。在刀具工作區(qū)間，鈦和其它金屬有形成合金或化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)烈趨勢，使材料強(qiáng)度增大，塑性下降，這會引起刀具燒焦、黏結(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(guān)鍵。

內(nèi)環(huán)的葉型復(fù)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(guān)鍵。

軸流穩(wěn)流裝置組件由內(nèi)外環(huán)通過過盈配合裝配而成，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(guān)鍵。

5 解決措施

5.1 加工準(zhǔn)備

針對鈦合金材料的性質(zhì)和切削過程中的特點，加工時應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度和韌性。

（3）刀具的耐熱性強(qiáng)。耐熱性指刀具材料在高溫下保持一定硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能，也包括刀具材料在高溫下抗氧化、黏結(jié)、擴(kuò)散的性能。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要指標(biāo)，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(xué)活性高，因此要避免刀具材料與鈦形成熔敷、擴(kuò)散，進(jìn)而成為合金，造成黏刀、燒刀現(xiàn)象。國內(nèi)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(qiáng)二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，導(dǎo)熱性好，強(qiáng)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(qiáng)度，避免刀尖燒損和崩刃。

（6）改善切削條件。機(jī)床-刀具-夾具的系統(tǒng)剛性要好，機(jī)床各部分間隙要調(diào)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)用切削液可以提高生產(chǎn)率，改善被加工零件表面質(zhì)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(guān)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(jī)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(fù)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(nèi)環(huán)加工

內(nèi)環(huán)的葉型復(fù)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(shè)計工藝流程。零件內(nèi)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(nèi)環(huán)內(nèi)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(nèi)孔尺寸為φ363 mm，考慮加工內(nèi)孔的完整性，將內(nèi)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(zhǔn)。內(nèi)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(jìn)設(shè)計。原設(shè)計的夾具只考慮端面支撐，內(nèi)孔定位為剛性接觸，零件內(nèi)孔與夾具有一定間隙。銑削加工時，引起了內(nèi)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(jìn)夾具結(jié)構(gòu)，將夾具定位改為脹形定位，這樣可以消除夾具與內(nèi)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(zhì)合金，可選用YG10H和YG8兩種牌號。前者系亞細(xì)顆粒合金，硬度及抗彎強(qiáng)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(zhì)合金牌號中，YG8的使用效果較好，精銑使用YG6X效果也不錯。內(nèi)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(zhì)合金φ8 mm立銑刀，精銑選用φ8 mm、R1.1mm整體硬質(zhì)合金立銑刀。

（4）切削參數(shù)的選擇。內(nèi)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(jié)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(nèi)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(yīng)選較大的每齒進(jìn)給量，必要時適當(dāng)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(nèi)外環(huán)通過過盈配合裝配而成，為了保證裝配質(zhì)量，采取如下措施。

（1）加熱外環(huán)，使其受熱膨脹，然后壓入內(nèi)環(huán)。查閱相關(guān)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(nèi)外環(huán)的最大過盈量為0.495 mm。L為390 mm，為了保證內(nèi)環(huán)能順利壓入外環(huán)，且不劃傷內(nèi)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(dá)到裝配要求。

（2）為了控制加熱變形，防止內(nèi)外環(huán)因局部接觸而受力不均勻，設(shè)計了一套內(nèi)脹形裝配夾具，如圖5所示。內(nèi)環(huán)裝入夾具后，夾具將內(nèi)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(dǎo)致刀具磨損，也影響已加工表面的加工質(zhì)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(jié)，抑制積屑和鱗刺的生長，進(jìn)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(zhì)，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(jié)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(yīng)用切削液是提高生產(chǎn)效率和改善材料被加工表面質(zhì)量的主要措施之一。

▲圖5 內(nèi)脹形裝配夾具示意圖

7 總結(jié)

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(jié)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(jī)鈦合金材料的大量使用，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)鈦合金材料加工工藝路線優(yōu)化，調(diào)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(zhì)量。

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