钛合金短轴的工艺研究

2013-09-15陈亚莉郑琪然

中国新技术新产品 2013年8期

陈亚莉郑琪然邓昶

（空军驻中航工业黎明军代表室,中航工业黎明，辽宁沈阳 110043）

1 概述

钛合金短轴及其组件由2个单件短轴、挡油环电子束焊接组成，结构特殊，精度要求高，技术条件要求比较严格，加工很难保证。以前从未加工过类似结构的工件，没有可借鉴的加工经验。钛合金材料难加工，而钛合金制作的薄壁曲面工件，更难以保证其高精度的要求，实现此类特殊短轴工件的技术突破，对研究短轴及其组件有着重要的意义。

2 制定工艺前准备

2.1 零件图分析

钛合金短轴是由2个单件短轴和挡油环电子束焊接组成，主要单件材料为钛合金，尺寸和技术条件多，精度要求高，很多技术条件都在0.008～0.02之间，且大多数为重要特性；径向基准面为4级要求，尺寸公差0.012，粗糙度Ra0.8，圆柱度0.008，与轴向基准跳动0.02；内花键要求精度高，齿向公差0.015，不好保证；4个Φ4深70和16个Φ4深40的深孔，很难加工。还有径向孔和槽、静平衡等多项技术要求，精度要求高，加工很难保证。我们以前从未加工过类似结构的轴颈零件，没有可借鉴的加工经验。

2.2 材料切削加工性

材料为钛合金，属难加工材料，切削加工性差，加工效率低，刀具磨损大。

钛合金切削加工性差的原因：

（1）导热系数小，切削温度高。热扩散率（α=λ/cρ，其中c为定压电热容，ρ为密度，λ为导热系数）表明铁、铝的热扩散率分别是钛的4倍和16倍，钛合金的导热系数平均为工业纯钛的一半，比不锈钢，高温合金的导热系数还要低，这是造成切削温度高的主要原因。

图1 工件三维图

（2）切屑与前刀面的接触长度短，刀尖应力大。钛合金切屑与前刀面的接触面积小，只有45号钢的1/2～2/3，所以单位切削刃上承受的应力就较大，是钢的1.3～1.5倍。由于刀尖附近应力集中，刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。

（3）摩擦系数大，摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢与刀具材料间的摩擦系数。切屑沿前刀面流出的速度VC=V/ξ，而钛合金的切削变形系数ξ远比其他金属材料小，因而钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度高。结果是摩擦功大，摩擦界面温度高，刀具易磨损。

（4）钛和钛合金在高温时化学活性高，能与空气中的氢、氧和氮起化学作用，形成脆性层、降低塑性，并且使切屑与前刀面的接触长度减小，使刀具磨损加剧。

（5）弹性模量小，屈服比大。钛合金的弹性模量约为钢的一半，这就意味着切削加工时钛合金零件容易产生较大变形。弹性模量小和屈服比大又会使已加工表面产生较大的回弹，使切削时刀具实际后角减小，则后刀面与零件的摩擦将增大。

钛合金材料难加工，而钛合金制作的薄壁曲面零件，更难以保证其高精度的要求。

3 主要表面的加工方法

3.1 内外型面的加工

内外型面尺寸多，配合尺寸精度比较高，技术条件比较严，5个配合面对基准跳动均为0.02，径向基准面为4级要求，尺寸公差 0.012，粗糙度 Ra0.8，圆柱度0.008，与轴向基准跳动0.02，见图3.1。考虑到组件只是电子束焊接挡油环，变形影响很小，所以内外型面、孔、花键、槽等在单件上加工完成，焊接、静平衡在组件上进行。内外型面在单件上进行粗车、精车加工，保证配合尺寸和技术条件，加工前找正基准跳动不大于0.01。

3.2 内花键的加工

短轴大、小端各有1个内花键。大、小端内花键齿向公差0.015，精度要求较高，不好加工。内花键加工采用德国进口的数控插齿机进行插齿，刀具采用专用插齿刀，加工前先插试件，试件合格后再插工件。插齿时以端面为基准，压紧上端面，加工前找正内孔表面不大于0.01。

3.3 深孔的加工

端面上有深70和深40的深孔，对基准外圆的位置度0.15很难加工保证，由于组件电子束焊接上单件挡油环后，槽口只有5个宽，机械加工难度更大，所以深孔选择在单件上加工。

3.4 电子束焊接

短轴组件由2个单件电子束焊接组成，主要单件材料为钛合金，根据工件的特性及标准的要求，我们采用了真空电子束焊机进行焊接。焊接前先用试片进行焊接试验，试片材料与工件相同，接头型式与工件相同。试片规格与数量如表3.1。由于设计结构缘故，焊缝锁底宽度只有1，再加上材料原因，焊接性不好，所以对试片焊接后先进行X射线检验焊缝，待合格后，再进行工件焊接。工件焊后进行消除应力热处理，采用真空炉。

3.5 静平衡

静平衡采用立式平衡机，制作专用夹具。平衡工件前先对夹具进行静平衡，找正夹具的配合表面的跳动不大于0.015，夹具的不平衡量应不大于2g.cm。然后再对工件进行静平衡，找正工件外圆跳动不大于0.02，再按设计要求位置及尺寸用铣削加工和打磨方法去除材料，剩余不平衡量不大于10 g.cm，去除后表面粗糙度为Ra3.2。