提高钛合金作动筒加工质量

2012-08-15卑喜敏王玉华王劲松

科技传播 2012年21期

卑喜敏，王玉华，王劲松

1.沈阳黎明航空零部件制造有限公司，辽宁沈阳 110043

2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043

0 引言

作动筒内孔的表面质量直接影响发动机的尾喷口工作时的平稳性、可靠性。作动筒内孔的表面粗糙度和加工精度都对发动机工作有重大影响。而决定作动筒内孔精度的主要工序是绗磨工序。绗磨是孔精度提高和粗糙度降低的有效方法，经过绗磨后的工件，表面粗糙度可以达到RA0.8-0.2。

目前，针对钛合金作动筒内孔珩磨还处在起步阶段，以前采用的工艺方法是精车及磨加工方法，加工后的内孔尺寸精度、圆柱度及表面粗糙度值及都较低，磨削后的表面易烧伤，加工时需要找正内孔，两端孔的同轴度很难保证，生产效率低下，需要更先进的工艺方法-珩磨加工。但是珩磨设备少，珩磨油石参数及珩磨余量很难确定，要反复摸索油石及珩磨余量的参数，那么，要实现钛合金作动筒内孔的珩磨，就要结合实际零件摸索出适合的珩磨内孔的所需要的珩磨余量、磨削参数及珩磨油石的相关参数，下面就如何解决钛合金作动筒内孔珩磨的问题进行阐述。

1 典型钛合金作动筒零件内孔加工面临的问题

作动筒内孔的尺寸、几何形状精度及表面粗糙度是对发动机工作影响最重大的因素之一，作动筒内孔的最终精度形成的工序——珩磨工序也成了作动筒加工中最重要的一道工序。

对典型作动筒结构分析：主要尺寸、技术条件及表面粗糙度

1）两端孔的同轴度0.03mm、圆柱度在160mm的长度上0.01mm，是保证作动筒平稳性的技术关键；

2）大小孔的尺寸公差为0.02mm，0.021mm，表面粗糙度0.2；

3）零件壁厚为3.0mm；

4）零件材料为TC6。

1.1 作动筒工艺路线

原工艺路线：模锻件——粗车外圆、钻孔——粗车另一端外圆、镗孔——半精车内孔及——半精车另一端内孔及槽——车接嘴——精车外圆筋板及螺纹——磨削大小孔——抛光内孔——修正两端螺纹——清洗——荧光检查——检验。

上述主要加工工序的作用：

1）半精车两端内孔；为车削接嘴和外圆筋板作基准；

2）精车大孔；保证磨加工前尺寸余量及表面粗糙度；

3）精车小孔；保证磨加工前尺寸余量及表面粗糙度；

4）磨削大孔；保证内孔尺寸精度和圆柱度及表面粗糙度；

5）磨削小孔：保证小孔尺寸精度和同轴度及表面粗糙度。

1.2 问题的分析

原工艺路线存在的问题：

1）由于该作动筒是钛合金，磨削性能差，内孔易烧伤。而零件长度较长且壁薄，加工后尺寸精度和圆柱度超差，内孔表面粗糙度值高；

2）同轴度0.03是用大孔做定位加工保证的，由于大孔精度超差，大孔对小孔同轴度易超差；

3）加工工序较分散，需要专用夹具较多，工装成本增大，生产效率低；

4）大部分工序在普通设备上加工，多次装夹，定位误差大，尺寸精度低。

1.3 采取的措施

1）将零件工序集中，根据零件结构特点，加工内孔和外接嘴安排在车铣加工中心上进行，提高了零件的加工效率和尺寸及几何形状精度，减少了专用夹具数量，降低了工装成本；2）由于加工中心设备精度高，大小孔可以一次加工完成，既保证了尺寸精度有保证了两孔的同轴度，为珩磨孔奠定了基础；3）为了珩磨方便加工，可以将大孔加工出倒稍并严格控制珩磨前内孔的余量和几何形状精度，给珩磨工序奠定良好的基础；4）将磨加工大小孔工序改为珩磨加工，提高内孔尺寸精度、表面粗糙度及圆柱度。

改进后的工艺路线：模锻件——粗车外圆、钻孔——粗车另一端外圆、镗孔——车削内外表面及螺纹、铣螺纹接嘴——珩磨大孔——珩磨小孔——修正两端螺纹——清洗——荧光检查——检验。

1.4 对珩磨工序加工参数的选择

1.4.1 珩磨加工的工作原理

绗磨是通过安装在绗磨头上的油石，由张开机构将其压向四周的工件孔壁，通过做旋转或直线往复运动，达到对孔进行低速磨削和破光。

1.4.2 珩磨特点

珩磨加工与一般切削加工相比，具有下列特点∶

1）可获得高的加工精度；加工直径 50mm～200mm的中等孔时，圆度公差可达3um～5um，圆柱度公差可达10um；

2）可以获得高的表面质量，表面粗糙度Ra值通常可达0.8um～0.1um，最高可达0.1um以下。

1.4.3 珩磨油石

1）珩磨油石的磨料

珩磨油石的磨料是油石的一个重要性能，它直接影响到珩磨加工的表面质量和生产率。生产中使用的珩磨油石主要有白刚玉、棕刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、人造金刚石、立方氮化硼等。

2）珩磨油石的粒度

珩磨油石的粒度的粗细直接影响加工表面的表面粗糙度。在表面粗糙度允许的前提下，选择粗一些的粒度，可以获得高的生产率。精珩应选用W40以上规格，半精珩选用180#-280#规格，一般粗珩选用80#-180#规格。

3）珩磨油石的硬度

绗磨油石的软硬要根据绗磨金属的硬度来选择。一般情况下，绗磨硬的进入要选择软的油石，而绗磨软的金属则要用较硬的油石。这里说的油石硬度跟磨粒的硬度无关，是指结合剂对磨粒粘结能力的强弱。绗磨油石的硬度过低，油石消耗就快，不太容易控制尺寸。脱落下来的磨粒也容易划伤工件。绗磨的效果略差。而绗磨油石硬度过高，则磨耗后的磨粒不容易脱落，造成油石表面堵塞，切削性降低甚至消失，还容易造成工件表面烧伤。所以，绗磨的油石硬度的选择很重要。

4）珩磨油石的结合剂及组织

一般末了的绗磨油石有两种：。陶瓷结合剂（代号V）和树脂结合剂（代号B）。陶瓷结合剂的主要特点是硬度不均匀，油石较脆，容易在珩磨过程中出现剥落。而树脂结合剂的油石强度高，有弹性，能抗振。油石磨损均匀，不容易碎。珩磨出来的工件比陶瓷结合剂的光滑度高。

1.4.4 珩磨用量

珩磨用量包括：切削速度、网纹交叉角、油石工作压力、微量进给速度、加工余量及超程量等。

1）切削速度与网纹交叉角

珩磨的加工效率和加工质量与珩磨切削速度、切削交叉角、圆周速度、往复速度有关。被加工材料的磨削性能决定了圆周速度和往复速度。韧性的材料，两种速度应取小；一些脆性的材料，两种速度可取大一些。珩磨速度亦因设备和珩磨工艺的情况而变化，在很大程度上取决于珩磨油石的质量和对工件材料的适应情况。

2）珩磨油石工作压力

油石的工作压力一般是指垂直作用在油石单位面积上的平均压力。压力大小的确定要考虑工件的材料、形状、大小、魔头刚性等等因素。

3）微量进给速度

珩磨油石微量进给速度（即径向进给量）对加工效率、加工精度、加工表面粗糙度、油石磨耗量影响较大。选取微量进给速度应根据工件材质、油石种类、性能、加工精度及工件孔的形状公差等因素考虑。

4）珩磨的加工余量

珩磨加工余量对珩磨质量和生产率有很大影响。珩磨加工余量一般为前道工序形状误差及表面变形层综合误差的2倍～3倍。

1.4.5 切削液

绗磨中必须使用切削液。它在绗磨中起到冷却的作用，能够及时冲刷走绗磨下来的磨粒、碎屑等，避免油石堵塞。能够在油石和工件接触表面形成一层油膜，改善工作状况。

切削液的种类：

有油剂和水剂两种，水剂切削液冷却性和冲洗性较好，适应于粗珩。油剂切削液通常加入适量的硫化物，硫和铁元素化合形成一种抗粘结焊和堵塞的硫化铁，对改善珩磨过程有利。

5 结合实际对珩磨工序进行试验

根据作动筒的材料选择了油石参数、珩磨用量和油剂切削液进行试加工。

试验方法：

1）将选取粗珩、精珩油石分别装在通用珩磨头上，根据需要珩磨的尺寸将珩磨头的油石进行修整；

2）检查作动筒内孔尺寸精度（包括倒稍尺寸、几何形状精度、同轴度及表面粗糙度）是否符合珩磨前的尺寸精度。在美国善能立式珩磨机设备上将零件外圆固定在专用夹具上，以小孔定位，分粗精珩磨大孔，再以大孔为定位，分粗精珩磨小孔，选择粗、精珩磨余量，需用油剂切削液充分冷却，保证了尺寸精度。

其中：两端内孔的同轴度是靠珩磨前车加工工序一次加工保证的，珩磨余量是车加工内孔时控制的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度。

在试验中，通过对钛合金作动筒珩磨参数的反复试验摸索，确定了适合的珩磨油石及珩磨参数。

6 珩磨油石及珩磨余量的选择

根据珩磨工作原理、珩磨油石特性、珩磨切削参数，选择了适合加工钛合金作动筒内孔的珩磨油石及珩磨参数。

1）油石的具体参数：（1）珩磨油石的磨料；白刚玉磨料；（2）珩磨油石的粒度；选用80#-180#进行粗珩，然后选用W40进行精珩；（3）珩磨油石的硬度;粗珩时为L-Q，精珩时选用M-R；（4）珩磨油石的结合剂及组织；树脂结合剂。

2）珩磨用量：

（1）在粗珩时圆周速度18m.min～25m.min，往复速度10m.min～25 m.min，交叉角45°。在精珩时圆周速度25m.min～30m.min，往复速度10m.min～25 m.min，交叉角30°；

（2）粗珩加工时油石工作压力0.8MPa～2.0MPa，精珩加工时油石工作压力0.8MPa～2.0MPa；

（3）粗珩的珩磨余量为0.08mm～0.15mm.，精珩的珩磨余量为0.02mm～0.06mm。

7 试验结果

通过改进的工艺路线进行加工，运用选定的珩磨油石参数及珩磨余量对一批作动筒进行试加工，试验结果：通过合并工序，生产效率提高了60%以上，降低了工装成本，用珩磨工序代替磨加工工序加工内孔，内孔质量满足了图纸规定要求，合格率达到100%。作动筒通过磨合试验，消除了卡滞现象，确保了作动筒的工作平稳性，摸索出珩磨钛合金材料的珩磨油石参数和珩磨余量，为今后类似零件珩磨奠定了良好的基础，达到了本次攻关的目的。