某外涵承力環(huán)表面質(zhì)量提升技術(shù)研究

王 威 郭春艷 吳鐵石 鄧連興

（1．海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2．中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

鈦合金材料具有高強(qiáng)度重量比、耐腐蝕和耐熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的普遍通用的金屬材料之一[1]。隨著加工技術(shù)的不斷精進(jìn)，對(duì)零件的精品工程的要求越來(lái)越精準(zhǔn)、具體，要求零件加工達(dá)到高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)[2]。而目前零件數(shù)控加工后，螺紋正反面倒角、孔背面的反劃窩、型面銑加工的接刀痕、型面銑加工產(chǎn)生的各種不規(guī)則銳邊等需要通過(guò)鉗工修整去除。為了更好地實(shí)現(xiàn)精品加工，需要從數(shù)控編程、加工刀具、在線(xiàn)測(cè)量等多角度開(kāi)展研究，解決加工中的表面問(wèn)題。該文以外涵承力環(huán)為研究對(duì)象，介紹了一種提升鈦合金易變形零件表面質(zhì)量的新型加工技術(shù)。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

外涵承力環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)上主要的承力部件，零件尺寸φ1056mm×φ1000mm×78mm，壁厚（2±0.1）mm，材料為雙性能鈦合金，屬于典型的薄壁整體環(huán)形件。

外涵承力環(huán)材料主要為鈦合金TC4，鈦合金TC4 材料組成為T(mén)i-6Al-4V，屬于（a+b）型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能。國(guó)外先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用鈦合金作為壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片、葉盤(pán)及風(fēng)扇涵道、燃燒室殼體等部件的材料，鈦合金的用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總重的1/4 以上。

鈦合金材料的主要特點(diǎn)有5 個(gè)：1）比強(qiáng)度高，TC4 的強(qiáng)度sb=1 012 MPa，密度g=4.4×103kg/m3，比強(qiáng)度sbg=23.5（合金鋼比強(qiáng)度一般小于18）。2）耐腐蝕好，無(wú)論是在潮濕的空氣或者在海水中，耐腐蝕性比不銹鋼等材料強(qiáng)，對(duì)氯化物及堿類(lèi)、酸類(lèi)物品均有一定的抗腐蝕能力，但對(duì)還原性氧及鉻鹽介質(zhì)抗腐蝕性差。3）化學(xué)活性大，與大氣中的氧氣、氮?dú)狻錃?、二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，TC4 表面硬度不高，HRC=30，但是加工時(shí)的熱量會(huì)使材料表面被氧化、氮化和碳化，會(huì)形成一氧化鈦、三氧化鈦、碳化鈦、氮化鈦的混合表皮，該混合表皮硬度較高。4）低溫性能好，在低溫下仍保持力學(xué)性能，在氣候溫度很低的惡劣天氣下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金材料仍能很好地保證其使用性能。5）此外鈦合金還有熱強(qiáng)度高、彈性模量小、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)。

TC4 在所有鈦合金種類(lèi)中是應(yīng)用最為廣泛的。國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金切削進(jìn)行了很多研究，在機(jī)械加工領(lǐng)域中，刀具和TC4 的強(qiáng)化學(xué)親和性使刀具很容易失效，剪切力的突變性導(dǎo)致切削力急劇變化，刀具損耗增加。

2 研究?jī)?nèi)容

以外涵承力環(huán)零件為載體，對(duì)零件的工藝文件編制、數(shù)控程序編制、零件變形補(bǔ)償、高效加工和異型刀具使用等方面進(jìn)行研究與優(yōu)化。

3 技術(shù)方案

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

外涵承力環(huán)年長(zhǎng)量大，零件最終交付之前需要經(jīng)過(guò)大量拋修工作，隨著精品工程的不斷推進(jìn)，在零件的表面質(zhì)量方面的要求也在不斷提升，取消鉗工拋修是勢(shì)在必行的方向。目前零件無(wú)這方面的加工經(jīng)驗(yàn)，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)也非常少。因此，基于零件目前的加工現(xiàn)狀，針對(duì)零件加工中鉗工拋修的環(huán)節(jié)重新制定加工方案，組織技術(shù)攻關(guān)。

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，零件加工涉及的鉗工加工共372 處，總計(jì)拋修時(shí)間為355 min，主要體現(xiàn)在粗銑加工不規(guī)則存在銳邊毛刺，后安裝邊背面劃窩需要鉗工干預(yù)，內(nèi)型面大孔倒角需要由鉗工進(jìn)行操作，車(chē)銑之間接刀痕需要鉗工跑修，月牙槽上下邊存在毛刺等。外涵承力環(huán)零件鉗工的拋修量極大，需要通過(guò)技術(shù)研究解決鉗工拋修的問(wèn)題。

3.1.2 現(xiàn)狀分析

對(duì)鉗工拋修的位置及拋修的原因進(jìn)行歸類(lèi)，為后續(xù)尋找解決方案做準(zhǔn)備。經(jīng)分析，可將零件的拋修原因分為工藝文件編制不具體、數(shù)控程序編制不完善、零件變形滿(mǎn)足不了加工要求、鉗工加工比較方便快捷、缺少機(jī)床加工的刀具等5 個(gè)部分。

3.2 加工方案優(yōu)化

3.2.1 完善工藝文件編制

針對(duì)工藝規(guī)程中沒(méi)有具體要求，或沒(méi)有明確提交檢驗(yàn)員檢查要求的尺寸特性，更改工藝規(guī)程，明確倒角的具體位置及數(shù)值大小，并且增加檢驗(yàn)員檢查的要求。

在工藝規(guī)程中有具體要求，例如工序中明確孔邊倒角大小，但是倒角尺寸沒(méi)有提交檢驗(yàn)員檢查的要求，造成倒角未加工到位的情況不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，需要更改工藝規(guī)程，增加提交檢驗(yàn)員檢查的要求。

3.2.2 完善數(shù)控文件編制

按照以往的加工習(xí)慣，車(chē)加工銳邊、銑加工銳邊毛刺及孔邊設(shè)計(jì)圖無(wú)倒角要求的銳邊毛刺通常由鉗工打磨解決，數(shù)控程序編制中缺少這方面的數(shù)控程序。針對(duì)目前現(xiàn)狀，在數(shù)控車(chē)加工、銑加工及鉆孔工序安排倒角加工工步。

編制孔邊倒角、銳邊倒圓滑及車(chē)銑加工接刀痕的數(shù)控程序，并引入高速切削的概念編制數(shù)控程序，盡量減少占用機(jī)床的時(shí)間。 高速切削理念源于20 世紀(jì)30 年代初，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高會(huì)升高，但是切削速度達(dá)到一定值以后，切削溫度不僅不會(huì)升高而且會(huì)降低，且該切削速度值與工件材料的種類(lèi)有關(guān)。保證零件在高速區(qū)工作，可以使用現(xiàn)有刀具進(jìn)行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

3.2.3 設(shè)備在線(xiàn)測(cè)量功能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

針對(duì)零件的微小變形對(duì)細(xì)微尺寸加工質(zhì)量的影響，開(kāi)發(fā)設(shè)備的在線(xiàn)測(cè)量功能，加工前編制在線(xiàn)測(cè)量的數(shù)控程序，提取微小的變形數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)綌?shù)控加工程序中，抵消加工中變形量，避免人工操作的隱患。

對(duì)于新型設(shè)備，直接利用設(shè)備的在線(xiàn)測(cè)量功能，進(jìn)行數(shù)控加工中的變形補(bǔ)償；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)老設(shè)備，自行開(kāi)發(fā)設(shè)備的在線(xiàn)測(cè)量功能，應(yīng)用到表面質(zhì)量提升的數(shù)控加工中。

原孔邊正反銳邊毛刺均采用鉗工手動(dòng)拋修的形式去除，加工質(zhì)量不穩(wěn)定?，F(xiàn)編制銑加工輪廓數(shù)控程序，機(jī)床上鉆孔后直接倒角去毛刺，并采用在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)，保證了微小余量加工質(zhì)量的可靠性。

階梯孔邊0.2 mm倒角必須利用在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)才能保證孔邊倒角均勻。

3.2.4 特殊刀具的選擇

孔邊毛刺的問(wèn)題，針對(duì)不同孔徑系列值范圍，采購(gòu)不同系列的倒角刀具。

銑加工產(chǎn)生的銳邊毛刺，采用現(xiàn)有的球刀或者錐形球刀，應(yīng)用數(shù)控程序即可加工保證。

內(nèi)型面大型孔的孔邊倒角，采用數(shù)控曲面反倒角刀加工。

數(shù)控加工倒角后仍存留的微小毛刺，外購(gòu)孔徑相近的金屬毛刷進(jìn)行機(jī)床上去除。

螺紋銑刀刃長(zhǎng)不足的問(wèn)題，重新外購(gòu)刀具解決。

4 技術(shù)方案現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4.1 新型夾具的應(yīng)用，減小零件的微量變形

引用新型液壓夾具的概念，使用液壓夾具定位壓緊零件。液壓夾具對(duì)內(nèi)型面進(jìn)行精準(zhǔn)定位（夾具圖如圖1 所示）：在對(duì)大型夾具成功減重的基礎(chǔ)上，控制了零件加工的微量變形，實(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)夾緊和快速裝夾，整體加工效率提高了1%，同時(shí)避免了加工中各種接刀痕的產(chǎn)生，有效地改善了加工質(zhì)量。

4.2 高效加工數(shù)控程序現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)安裝邊位置接刀痕，通過(guò)數(shù)控程序優(yōu)化，改變了進(jìn)退刀的加工順序，減小了進(jìn)刀時(shí)接觸安裝邊產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象。原接刀痕的進(jìn)刀過(guò)程改為切削結(jié)束的出刀過(guò)程后，零件加工產(chǎn)生的接刀痕接近于無(wú)，只存在于視覺(jué)上實(shí)際測(cè)量小于等于0.01 mm 的效果。改進(jìn)后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證接刀痕小于0.01 mm，不需拋修，節(jié)省拋修時(shí)間15 min。

圖1 新型夾具圖

針對(duì)外型面銑加工接刀痕，通過(guò)引用參數(shù)編程及實(shí)體延伸技術(shù)控制接刀痕。如圖2 所示，利用系統(tǒng)參數(shù)，每一處型面單獨(dú)定義一個(gè)變量，用于定義每一處型面的變形量，補(bǔ)償?shù)矫恳惶幮兔娴募庸こ绦蛑小?利用在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)，測(cè)量每一處型面的變形量，補(bǔ)償?shù)綌?shù)控加工程序中。

現(xiàn)利用實(shí)體延伸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了曲面清根過(guò)程刀具始終垂直加工底面，完美地消除了曲面加工的不同刀具之間的接刀痕現(xiàn)象。

改進(jìn)后外型面無(wú)接刀痕。外型面的開(kāi)闊區(qū)域與安裝邊的轉(zhuǎn)接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)痕跡加工，從本質(zhì)上解決了不同刀具、不同切削方向的加工變形產(chǎn)生的接刀痕問(wèn)題。節(jié)省拋修時(shí)間25 min。

4.3 新型、異型刀具的應(yīng)用

4.3.1 利用庫(kù)存異型刀具，解決異型曲面的倒角/銳邊加工

利用改磨后的庫(kù)存異型倒角刀具，數(shù)控加工月牙槽上下兩邊銳邊，完整去除毛刺。同時(shí)應(yīng)用在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)，抵消零件變形量，提高曲面細(xì)微加工余量的加工質(zhì)量。改進(jìn)后毛刺在月牙槽可完整去除。

錐球刀具，去除外型曲面銳邊毛刺。外型曲面銳邊達(dá)147 處，而且局部銳邊加工區(qū)域狹小，使用Φ4 錐球銑刀加工比較完善。改進(jìn)后鉗工拋修時(shí)間減少70 min。

凹型曲面內(nèi)部的斜孔的反倒角，原采用鉗工手動(dòng)倒角，由于倒角部位本身余量不均衡，保證加工質(zhì)量有一定的難度。現(xiàn)采用跟蹤式參數(shù)編程的方法，保證零件余量去除均勻。螺紋孔邊毛刺的產(chǎn)生原因?yàn)樵庸し椒庸さ牡菇禽^小，導(dǎo)致銑加工螺紋后毛刺去除不干凈。現(xiàn)增加螺紋孔邊倒角，解決了孔邊毛刺問(wèn)題。

圖2 參數(shù)編程示意圖

利用在線(xiàn)測(cè)量功能有效地抵消了零件自身的變形量，從而保證了加工質(zhì)量。

4.3.2 采用新型刀具，解決超長(zhǎng)螺紋加工問(wèn)題

零件徑向的加長(zhǎng)螺紋正常M6螺紋銑刀刃長(zhǎng)13.5 mmmax，現(xiàn)加工M6 螺紋長(zhǎng)度17.2 mmmin，銑加工螺紋后需要鉗工繼續(xù)攻螺紋合格。

應(yīng)用新型刀具機(jī)攻螺紋，改用機(jī)攻螺紋后，不僅解決了螺紋銑刀刃長(zhǎng)的問(wèn)題，而且一次性加工合格，同時(shí)解決了螺紋銑刀磨損后反復(fù)銑螺紋的問(wèn)題。 改機(jī)攻后一次加工合格，機(jī)加時(shí)間無(wú)變化，節(jié)省攻絲時(shí)間20 min，改進(jìn)后刀具及加工后效果示意圖如圖3 所示。

4.4 在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)在易變形零件中的應(yīng)用

圖3 新型刀具及加工效果示意圖

零件表面質(zhì)量的加工屬于微量加工范疇，零件的微小變化均會(huì)影響零件表面的加工質(zhì)量，而目前航空航天領(lǐng)域的零件加工絕大多數(shù)屬于薄壁易變形零件，這就在很大程度上增加了表面質(zhì)量的加工難度?，F(xiàn)開(kāi)發(fā)加工設(shè)備的在線(xiàn)測(cè)量功能，加工前隨零件形狀編制在線(xiàn)測(cè)量的數(shù)控程序，提取微小的變形數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)綌?shù)控加工程序中，抵消加工中變形量，從而保證了微量加工的加工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

采用新加工技術(shù)加工的外涵承力環(huán)，成果包括4 個(gè)方面：1）由于去除微小毛刺加工的余量也非常小，通常只有0.2 mm，因此，必須考慮零件的變形量對(duì)此加工的影響。在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)在這種加工中的作用非常突出。利用機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量功能，監(jiān)測(cè)零件加工區(qū)域的變形數(shù)據(jù)，利用機(jī)床參數(shù)庫(kù)功能，即時(shí)補(bǔ)償?shù)剿庸さ臄?shù)控程序中，實(shí)現(xiàn)柔性化，能保證整個(gè)型面0.2 mm 余量加工的均勻性。2）在大型零件的清根過(guò)程中，當(dāng)同時(shí)存在側(cè)面和底面的切削，在數(shù)控程序編制中，注意測(cè)量刀具主軸與切削底面的垂直情況，避免因數(shù)控程序?qū)е录庸^(qū)域出現(xiàn)接刀痕。3）充分利用機(jī)床參數(shù)庫(kù)，編制數(shù)控加工的參數(shù)程序，可以有效地避免零件加工中的微量變形對(duì)零件表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，加工程序中通過(guò)參數(shù)調(diào)用，有效地去除接刀痕。4）對(duì)于大型薄壁零件，液壓夾具的使用能非常有效地解決由于強(qiáng)度問(wèn)題引起的零件變形。同時(shí)，因漲緊后強(qiáng)度非常高，加工效率提高了1%。因此，建議大型薄壁零件盡可能使用液壓夾具。

針對(duì)鈦合金零件，研制出了新的制造技術(shù)。經(jīng)實(shí)踐證明，此加工技術(shù)適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)匣、對(duì)開(kāi)機(jī)匣等環(huán)形易變形零件的加工過(guò)程中，是對(duì)機(jī)匣加工技術(shù)的拓展和創(chuàng)新。