航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金筒體加工工藝研究

劉曉哲

摘 要：筒體是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件，結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)量直接影響組件的強(qiáng)度及密封性。文章對(duì)鈦合金筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特點(diǎn)、工藝特點(diǎn)等進(jìn)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(lèi)零件的加工提供參考。

關(guān)鍵詞：鈦合金筒體；內(nèi)孔；密封槽

中圖分類(lèi)號(hào)：V263 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0071-02

1 概述

作動(dòng)筒主要由筒體、活塞桿組成，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要功能是通過(guò)活塞桿在筒體內(nèi)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)加力燃燒室的調(diào)節(jié)環(huán)移動(dòng)。其中作動(dòng)筒筒體的加工精度對(duì)整個(gè)組件的運(yùn)動(dòng)靈活性和工作可靠性有著直接影響。因此如何提高作動(dòng)筒筒體的加工質(zhì)量是關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的關(guān)鍵之一。文中針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金作動(dòng)筒筒體（如圖1）的加工工藝進(jìn)行了梳理和總結(jié)。

2 鈦合金作動(dòng)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(dǎo)熱性、塑性較低，彈性模量小等特點(diǎn)，切削性能較差；鈦合金磨削時(shí)溫度高，磨削力大，砂輪黏附現(xiàn)象嚴(yán)重，因此通常工藝上對(duì)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(diǎn)，在加工方法的確定、刀具選擇、切削參數(shù)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(lái)了一定的難度。

2.2 結(jié)構(gòu)與精度分析

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

2.2.1 內(nèi)孔分析。筒體內(nèi)孔是作動(dòng)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(nèi)孔尺寸精度要求7級(jí)，表面粗糙度要求Ra0.20μm，對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)要求為0.03mm；且零件外部帶有接嘴（如圖1），這種結(jié)構(gòu)對(duì)加工時(shí)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(shè)計(jì)圖對(duì)密封槽的尺寸精度及表面粗糙度要求也較為嚴(yán)格，而且對(duì)于槽口尖邊也需要嚴(yán)格控制，避免劃傷槽內(nèi)的密封圈，影響密封；同時(shí)對(duì)4個(gè)密封槽底的同軸度也進(jìn)行了限制，同時(shí)要求密封槽孔表面對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)為0.04等。

2.3 工藝分析

2.3.1 設(shè)備的選擇。筒體精度要求高，材料切削性能差，因此設(shè)備應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定的數(shù)控加工設(shè)備；又考慮到鈦合金筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)先選擇復(fù)合加工設(shè)備，以確保筒體兩端內(nèi)孔之間的位置精度，減少裝夾次數(shù)。

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

2.3.3 刀具的選擇。結(jié)合鈦合金的材料特點(diǎn)，加工鈦合金零件一般選用由硬質(zhì)合金類(lèi)刀具，如鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金、含鈷高速鋼、鋁或釩高速鋼。在選擇硬質(zhì)合金類(lèi)鈦合金刀具時(shí)，不應(yīng)選擇鎢鈦類(lèi)或TiC和TiN涂層刀具；選擇高速鋼刀具時(shí)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(shí)，應(yīng)該選擇合適的切削液，將刀具和零件上的熱量帶走，同時(shí)帶走切屑，達(dá)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(zhì)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(zhì)溶液及非水溶性油質(zhì)溶液。

3 筒體加工工藝

根據(jù)上述分析，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，確定鈦合金筒體主要的加工工藝路線如下：

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

3.1 內(nèi)孔的半精加工

對(duì)圖1（b）所示的大端內(nèi)孔的加工，由于筒體結(jié)構(gòu)所限，內(nèi)孔半精加工選用車(chē)削方法，加工用的夾具屬于“半瓦”式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，夾具與零件的配合間隙控制在0.02mm以?xún)?nèi)，減小零件的變形空間。

鈦合金的彈性模量小，在加工時(shí)極易產(chǎn)生較大變形、扭曲，加工精度不易保證。因此使用夾具時(shí)，要控制裝夾力，鎖緊夾具上的壓緊螺栓時(shí)要用力均勻、合適，不能過(guò)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(shí)竄動(dòng)，影響精度，或者加工時(shí)零件飛出傷人。筒體裝夾好后，加工時(shí)要分多次進(jìn)刀，減小切削力，防止筒體裝夾變形及回彈變形，保證內(nèi)孔加工精度。

3.2 內(nèi)孔的珩磨

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

珩磨實(shí)質(zhì)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(jīng)多方收集數(shù)據(jù)，反復(fù)試驗(yàn)，確定筒體在精車(chē)內(nèi)孔后，先后安排粗珩內(nèi)孔及精珩內(nèi)孔保證內(nèi)孔質(zhì)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(gè)相同的密封槽。因此工藝安排上不僅要保證加工質(zhì)量，還要考慮加工效率。工藝路線中安排先在數(shù)控車(chē)床上粗車(chē)帶密封槽的零件小端內(nèi)外表面，然后選用復(fù)合車(chē)削中心，精鏜孔及密封槽、車(chē)小頭螺紋工序。

3.4 小端螺紋的數(shù)控加工

如圖4所示，按設(shè)計(jì)要求，筒體小端螺紋的精度為6級(jí)，且對(duì)基準(zhǔn)跳動(dòng)為0.1mm。綜合考慮螺紋精度及加工效率，選擇車(chē)螺紋的方法，在復(fù)合車(chē)削中心設(shè)備上，精加工小端內(nèi)孔及密封槽工序，同時(shí)車(chē)削小端螺紋，加工后螺紋精度高、質(zhì)量穩(wěn)定，效率高。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)筒體內(nèi)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(diǎn)，縮小內(nèi)孔車(chē)削夾具的配合間隙；同時(shí)將珩磨內(nèi)孔分為粗精珩，并將切削用量固化，提高內(nèi)孔加工精度。

充分利用數(shù)控設(shè)備及加工中心的復(fù)合加工功能，將內(nèi)孔、密封槽、螺紋等特征合并加工，提高加工精度、質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)提高了加工效率。

為保證筒體內(nèi)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(nèi)孔大部分余量，減小精加工的余量，提高加工效率。

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