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)，金屬鈦作為一種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行了加工強化，只有這樣才能使鈦合金材料的熱強度性、熱穩(wěn)定性能極高，并且能適應(yīng)飛機飛行中發(fā)動機因高速運行所產(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)動機的行業(yè)帶來相當(dāng)大的難度。由于鈦合金材料在實際加工過程中一般采用高轉(zhuǎn)速、大進給、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)動機的新階段。噴氣動力發(fā)動機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；民用飛機領(lǐng)域則是航空運輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，是推進社會經(jīng)濟發(fā)展、全球一體化進程的巨大動力。航空制造業(yè)可以說是新時代軍民融合，推動社會進步的典型行業(yè)。

世界上航空制造領(lǐng)域最為先進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，科研實力雄厚。其中，民用飛機領(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目合作，最為著名的合作項目是“協(xié)和”超聲速客機及“奧林帕斯”發(fā)動機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制造水平極高，是世界上最主要的先進民用客機大部件研制生產(chǎn)國，已經(jīng)成功研制新型噴氣式運輸機。

在當(dāng)代中國，航空發(fā)動機制造業(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。在航空飛機研究領(lǐng)域中，由于航空發(fā)動機工作環(huán)境和安全性能等原因，因此對發(fā)動機上的部件的制造材料性能如比強度、熱穩(wěn)定性能、熱強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)動機外殼、噴管、航天飛機機身、機翼等關(guān)鍵部位。例如，著名的阿波羅登月飛機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發(fā)動機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發(fā)動機的關(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，只能使用進口專用高精度機床進行加工。與機械加工機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，采用多個壓緊點壓緊零件剛性相對更好的實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

在實際的機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，非常有利于控制機械生產(chǎn)加工的各個環(huán)節(jié)，切實地保證產(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，機械加工相對困難。

機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，直接能實現(xiàn)車、銑、鉆、擴、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行，即尺寸部分機械加工完成后再安排特征位置機械加工。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床精度、零件變形等情況。

綜合考慮生產(chǎn)實際情況，數(shù)控加工設(shè)備功能，整個設(shè)備運營成本，整個產(chǎn)品經(jīng)濟效益等多方面因素，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)控機床研發(fā)目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)[J].制造技術(shù)與機床，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.