TC4钛合金空气导管精密成形加工工艺研究

邵晓寒++李昱

摘 要：航空发动机是制造工业的精华之作，其对于各组成零部件的加工精度要求极高，为满足各零部件的加工制造，需要在分析各零部件加工特点的基础上做好加工工艺的研究与优化，最大限度地提高航空零部件的加工质量与加工效率，确保航空发动机的高质量、高效率的生产。高压涡轮空气导管是航空发动机中的重要的组成部分，高压涡轮空气导管其材料使用的TC4钛合金，由于材料硬度及加工精度较高从而使得高压涡轮空气导管的加工制造受到了极大的影响。为提高高压涡轮空气导管的加工质量及加工效率通过对TC4高压涡轮空气导管的各加工环节进行了系统性的分析，并在此基础上通过对各环节的难点进行了优化，从而使得高压涡轮空气导管的精密成形加工得到了有效的提升。

关键词：TC4；高压涡轮空气导管；精密成形加工

中图分类号：V263 文献标识码：A

某型号的高压涡轮空气导管在加工的过程中采用的是1.3mm厚度的TC4型钛合金板材加工而成的。此型号的高压涡轮空气导管在加工过程中对于零部件的圆度、直线度以及垂直度等各加工精度有着极高的要求。同时在对高压涡轮空气导管加工的过程中由于钛合金材料的在材料硬度、屈服极限以及弹性极限比值等数值的比值较高致使高压涡轮空气导管的加工成形难度极大。为做好对于高压涡轮空气导管的成形加工，需要在总结高压涡轮空气导管加工特点的基础上对加工工艺进行优化。

1.高压涡轮空气导管成形加工难点分析

1.1高压涡轮空气导管加工工艺分析

某型号的高压涡轮空气导管所使用的TC4钛合金材料在屈服极限和弹性极限比值上都有着较高的数值，同时钛合金材料所具有的屈强比高、变形抗力和变形回弹量大以及塑性比低等的特点都导致了高压涡轮空气导管的加工成形难度极大。在高压涡轮空气导管的加工成型过程中，为了确保高压涡轮空气导管一次滚弯成形则需要确保成形设备具有较小的滚弯曲率，这些数据都对加工设备的强度和刚度提出了极高的要求。

在高压涡轮空气导管的加工过程中由于无法实现一次成形加工，因此在高压涡轮空气导管的加工过程中采用了双半圆筒形加工后焊接成形的加工工艺，而后对焊接成形的筒形导管件进行高精度的热校成形加工以确保加工完成后的高压涡轮空气导管满足各项精度尺寸要求。

1.2高压涡轮空气导管的加工难点

高压涡轮空气导管所使用的钛合金材料本身的硬度等因素为加工带来的困难。TC4钛合金由于切削变形系数<1使得加工刀具在与钛合金材料接觸的过程中摩擦阻力增大，从而使得加工刀具的使用寿命受到了极大的影响。在对钛合金进行切削加工时所产生的高温及切削时刀刃与钛合金接触时所产生的压力容易导致切削屑与加工刀具产生咬合，从而导致严重粘刀现象的产生。钛材料由于本身所具有的高活性使得其在加工过程中容易与空气中的氧气、氮气、氢气等发生化学反应，从而导致钛合金材料表层的硬度下降，进而影响到高压涡轮空气导管切削加工的顺利进行。

在对高压涡轮空气导管进行加工的过程中为了确保后续焊接加工的精度，需要在对高压涡轮空气导管进行切削加工时将铣加工面的平面度控制在0.05mm的误差范围内。此外，根据加工工艺的要求，在对高压涡轮空气导管进行加工时采用的是先加工成双半圆筒形结构，而后再进行焊接，并在焊接成形后对高压涡轮空气导管进行精密成形加工.由于钛合金材料的特性使得其在完成半圆筒形加工后零部件具有较大的回弹性。为确保高压涡轮空气导管在加工后的精度，需要在对高压涡轮空气导管进行铣加工时对高压涡轮空气导管进行全限位约束。 高压涡轮空气导管本身壁厚较薄，加之高压涡轮空气导管的长度较长从而对高压涡轮空气导管的装夹提出了更高的要求。装夹定位压紧力较小而容易导致高压涡轮空气导管再加工过程中出现让刀，而装夹压力较大而容易导致高压涡轮空气导管出现变形从而影响高压涡轮空气导管的加工精度。

1.3校形加工难点分析

在对高压涡轮空气导管进行了预加工和焊接加工后需要对高压涡轮空气导管进行校形加工。这是由于高压涡轮空气导管的壁厚较薄，其在焊接加工时，由于钛合金在高温下的回弹及焊接变形等因素致使高压涡轮空气导管的精度会出现一定的偏差，为使得高压涡轮空气导管满足加工精度要求，需要对焊接后的高压涡轮空气导管进行精密校形加工。在对高压涡轮空气导管进行精密校形加工时由于受到钛合金材料高变形抗力和变形回弹量大的特点，单一的使用冷校形加工无法满足高压涡轮空气导管的加工要求。因此在对高压涡轮空气导管进行校形加工时需要利用钛合金的高温力学性能特点来对其进行加工。

2.做好高压涡轮空气导管加工工艺的优化

2.1在对高压涡轮空气导管进行预加工时加工工艺的优化

在对高压涡轮空气导管进行预加工时，根据钛合金材料的特点需要选用顺铣加工的加工方法，顺铣加工时刀具的切削刃与所铣出的薄铣屑与刀具之间不易黏合。需要注意的是在高压涡轮空气导管加工时钛合金弹性模量较小采用顺铣加工时会产生一定的让刀现象，为提高高压涡轮空气导管的加工精度，需要确保加工刀具具有较强的刚度.在对高压涡轮空气导管进行预加工时为确保高压涡轮空气导管的加工精度通过试验确定了相应的加工参数：刀具的切削速度控制在30m/min，加工进给量为0.005mm，背吃刀量为0.5mm。在对高压涡轮空气导管进行加工过程需要对高压涡轮空气导管进行良好的装夹：首先使得高压涡轮空气导管能够处于限位约束状态，而后在装夹完成后零件和工装整体需要具有足够的刚度，为实现这一目标在设计工装时工装需要采用厚实的底座加型块的结构设计。确保高压涡轮空气导管在装夹定位后导管沿长度方向能够均匀紧密的贴合在整个型块的型面上，使其能够完全满足焊接对接接头加宽边铣加工的精度要求。同时整个工装能够快速地完成装配和翻边加工，有效地提高了高压涡轮空气导管的加工效率。

2.2做好高压涡轮空气导管校形加工工艺的优化

在使用高温热校形加工时，首先需要对TC4钛合金进行不同温度下的应力松弛性能测试，用以测试钛合金在各个不同温度受力变形情况。借助弯曲理论和松弛理论需要对高压涡轮空气导管的校形回弹量和应力松弛校形后的回弹量进行计算，从而确定出在何种温度下对高压涡轮空气导管进行精密校形加工。通过大量的试验后表明在对D=128.4mm的高压涡轮空气导管进行高温精密校形加工时需要在保温温度为650℃保温时间>17min的时间内对其进行加工。同时在高温校形加工时需要对校形模具进行优化，并在对校形模具进行设计时需要注意考虑温度对其所造成的热膨胀影响。在对于高压涡轮空气导管加工毛坯件的选取上，根据高压涡轮空气导管的加工图纸要求，在毛坯件的选取上选择的是厚度为1.3mm的TC4钛合金板材滚弯后焊接而成的筒形件，考虑到后续的热校形加工的需求，在毛坯件内径的选取上选定的是D=128mm。

结语

高压涡轮空气导管是一种薄壁、高精度的航空零部件，在高压涡轮空气导管的加工过程中通过结合高压涡轮空气导管所使用的材料的特点，通过对高压涡轮空气导管的加工工艺进行优化实现了对于高压涡轮空气导管的高精度成形加工。在确保高压涡轮空气导管加工精度的基础上提高了高压涡轮空气导管的加工效率。

参考文献

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