复杂形体钛合金零件的加工工艺研究

2018-06-27熊明和

机械制造 2018年1期

□ 熊明和

中国航发航空科技股份有限公司成都 610041

1 研究背景

飞机更新换代正在加速，其自身结构性能的要求也在不断提高。改进飞机性能，首先需要从材料入手，既要选用轻型材料来降低机体自重，又要考虑材料的可靠性和经济性。基于这样的背景，铝合金材料在飞机制造中的应用逐渐被满足高性能要求的新材料所代替。其中，钛合金材料为飞机设计者所青睐。

目前，国内外军民机上应用的典型钛合金材料Ti-6Al-4V（TC4）是20世纪60年代初研制的一种中等强度钛合金，具有优良的综合性能，被誉为万能合金，是最早用于飞机结构的通用钛合金。TC4主要用于飞机结构中的梁、接头和隔框等中等承力构件及紧固件，以及发动机风扇与压气机盘、轴流稳流装置、叶片等，与钢材料相比，可减轻结构质量约30%。钛合金材料由于导热系数低、塑性弱、硬度高、弹性模量低、弹性变形大等特点，切削加工性能差，在很大程度上制约了自身的应用。

轴流稳流装置集中了薄壁环形件和叶片复杂叶型铣削加工的特点，精度要求高，形状复杂。克服零件加工过程中的变形，并控制大过盈量的装配变形是加工中的关键。

笔者通过对复杂形体钛合金零件车削、铣削加工与装配过程的工艺拟定及难点进行分析，为今后类似零件的加工提供参考［1-5］。

2 工艺分析

所要加工的复杂形体钛合金零件为某型号飞机发动机轴流稳流装置，由内外环装配而成，如图1所示。该零件主要加工特点如下：①零件材料为TC4钛合金模锻件，加工余量大；②由内外环通过过盈配合装配而成，单边最大过盈量为0.25 mm；③ 外环加工难点是型面复杂，壁薄，要求高；内孔尺寸φ390+0.055mm的跳动要求为0.051 mm，表面粗糙度值为1.6 μm；④内环由72个均匀分布的径向叶片组成，叶型对基准的面轮廓度要求为0.152 mm，叶型面粗糙度值为1.6 μm；⑤装配完成后端面平面度在自由状态下保证0.15 mm，保证φ394+0.0880mm对基准B和φ401.040-0.1mm对基准E的加工尺寸要求。

3 工艺流程拟定

基于对零件材料性能、设计图要求和加工难点的分析，分别确定内环、外环和组件的工艺流程。

外环结构形状复杂，薄壁最薄处只有1.5 mm，刚性差，精度要求高，加工余量大，拟定的工艺流程如图2所示。在粗加工阶段，主要是切除大余量，半精加工阶段对外型面和装配面完成加工，为装配做准备。

内环上有72个均匀分布的径向叶片，叶片有0.152 mm面轮廓度要求，在内环壁最薄处只有1.27 mm，尺寸要求高，属于复杂叶型，加工过程中要克服零件的变形，拟定的工艺流程如图3所示。

最终零件由内外环通过过盈配合装配而成，通过加热法装配组件后，加工端面法兰边基准B、E，钻端面孔，并铣端面型面，拟定的工艺流程如图4所示。

4 工艺难点

和加工钢材料相比，加工钛合金材料需要的切削力略大，而钛合金材料的金属结构决定了它们在同等硬度下比钢材料加工更困难。钛合金材料的切削加工性能比较差，主要原因分析如下。

（1）热传导性差。钛合金材料的导热系数小，切屑与刀具前刀面的接触长度极短，切削时产生的热量不易传出，热量集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。钛合金材料的比热容小，加工时局部温度上升很快，因此造成刀具温度很高，刀尖急剧磨损，使用寿命缩短。

（2）弹性模量低。钛合金材料弹性变形大，已加工表面容易产生回弹，特别是薄壁零件的加工回弹更为严重，易引起刀具后刀面与已加工表面产生强烈摩擦，从而加剧刀具磨损，产生崩刃。

（3）刀具损坏严重。在刀具工作区间，钛和其它金属有形成合金或化学反应的强烈趋势，使材料强度增大，塑性下降，这会引起刀具烧焦、黏结和快速损坏。

钛合金材料切削过程中的特点使加工较为困难，影响加工效率。

▲图1 轴流稳流装置示意图

▲图2 外环加工工艺流程

▲图3 内环加工工艺流程

▲图4 组件加工工艺流程

外环是典型的薄壁环形件，结构形状复杂，壁薄，刚性差，精度要求高，加工余量大，克服车削加工中的变形是关键。

内环的叶型复杂，精度高，铣削量大，材料刚性差，克服铣削变形及保证叶型要求是加工中的关键。

轴流稳流装置组件由内外环通过过盈配合装配而成，结构形状复杂，薄壁最薄处只有1.27 mm，刚性差，精度要求高，加工余量大，克服加工变形和装配变形是加工中的关键。

5 解决措施

5.1 加工准备

针对钛合金材料的性质和切削过程中的特点，加工时应从刀具选用、切削参数合理选择、加工过程充分冷却等方面考虑。

（1）刀具的硬度和耐磨性高。刀具材料的硬度必须比零件材料高，一般洛氏硬度（HRC）都在60以上。耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，一般刀具材料硬度越高，耐磨性就越好。

（2）刀具有足够的强度和韧性。刀具由于切削钛合金材料时要承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。

（3）刀具的耐热性强。耐热性指刀具材料在高温下保持一定硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，也包括刀具材料在高温下抗氧化、黏结、扩散的性能。耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标，是加工钛合金材料时刀具选择的最重要参数。

（4）刀具材料与钛合金材料的亲和力要差。由于钛的化学活性高，因此要避免刀具材料与钛形成熔敷、扩散，进而成为合金，造成黏刀、烧刀现象。国内外刀具多种材料切削试验表明，采用钨钴类刀具效果较理想。钴的主要作用是加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，导热性好，强度也较高，同时具有较高的韧性、耐磨性和良好的散热性。

（5）选择合理的刀具几何参数。采用较小的前角和较大的后角以增加切屑与前刀面的接触长度，并减小工件与后刀面的摩擦。刀尖采用圆弧过渡，以提高刀具强度，避免刀尖烧损和崩刃。

（6）改善切削条件。机床-刀具-夹具的系统刚性要好，机床各部分间隙要调整好，主轴的径向跳动要小。刀具切削部分要尽量短，在容屑足够的情况下尽量加大切削刃厚度，提高刀具的强度和刚度。夹具要有足够的刚性，装夹零件牢固。

（7）选择合适的切削用量。切削速度要低，因为切削速度对切削刃的温度影响较大，如果切削速度高，那么切削刃温度剧增，会直接影响刀具寿命。进给量要适中，过大容易产生烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快。此外，进给量最好大于0.10 mm。切削深度要大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。

（8）加工时要保证切削液充分冷却。切削液可以将刀刃的大部分热量带走及冲走切屑，降低切削温度。有效的冷却和合理应用切削液可以提高生产率，改善被加工零件表面质量［6-10］。

5.2 外环加工

外环是典型的薄壁环形件，克服车削加工中的变形是关键，采取以下几方面措施来保证。

（1）外环毛坯为模锻件，余量大，将加工分为粗加工、半精加工和精加工三阶段来完成。粗加工阶段要切除大部分余量，需采用刚性好的机床，具有大切削量。半精加工阶段用来修正和加工不重要表面。精加工阶段完成零件所有表面的加工。

（2）刀具的几何参数。在粗加工阶段，需要刀具刚性好，刀具前角要小些，可以选0～3°。在精加工时，为了得到良好的表面完整性和尺寸精度，要求刀具锋利，所以前角、后角、螺旋角要偏大些，并且刀刃负倒棱最小，一般前角为 8～15°，后角为 8～14°。刀尖圆弧半径取0.2～0.6 mm，精车时尽量取大值。具体车刀几何角度推荐值见表1。

（3）切削参数的选择。切削深度为0.5～1 mm时的车削用量见表2，切削深度为1～5 mm时相对磨损最小的车削用量，见表3。

表1 车刀几何角度推荐值

表2 切削深度0.5～1 mm时的车削用量

5.3 内环加工

内环的叶型复杂，精度高，铣削量大，零件刚性差，主要通过以下几个措施来解决。

（1）合理设计工艺流程。零件内环最终径向厚度只有1.27 mm,铣削叶型时切削力大，容易变形。在加工时，保留内环内型加工尺寸尽可能小，即材料保留尽可能多，增大刚性。毛坯来料时内孔尺寸为φ363 mm，考虑加工内孔的完整性，将内孔工艺尺寸定为φ364+0.050mm，同时可借助该孔作为铣削加工的定位基准。内型面尺寸在装配完成后再通过精加工保证。在铣削加工中分工步完成，具体分为粗铣叶型、半精铣叶型、精铣叶型、精铣轮廓。

（2）夹具的改进设计。原设计的夹具只考虑端面支撑，内孔定位为刚性接触，零件内孔与夹具有一定间隙。铣削加工时，引起了内环径向变形，圆度值增大，难以保证叶型空间型面轮廓度要求。通过改进夹具结构，将夹具定位改为胀形定位，这样可以消除夹具与内环之间的间隙，减小变形，保证叶型的加工要求。

（3）刀具的选择。钛合金材料的铣削刀具通常选用硬质合金，可选用YG10H和YG8两种牌号。前者系亚细颗粒合金，硬度及抗弯强度均高于YG8，耐磨性好，抗冲击或抗振动性能高，铣削钛合金材料比较适宜。另一方面，在通用的硬质合金牌号中，YG8的使用效果较好，精铣使用YG6X效果也不错。内环叶型为整体铣削而成，铣削余量大，为了保证加工要求，需要在一次装夹中完成。将铣削分为粗铣和精铣，粗铣选硬质合金φ8 mm立铣刀，精铣选用φ8 mm、R1.1mm整体硬质合金立铣刀。

（4）切削参数的选择。内环铣削为断续切削，铣刀容易崩刃，耐用度低，且易与刀齿发生黏结现象。顺铣的切削过程平稳，刀齿切削路径较逆铣短，铣削深度由厚到薄，可以减轻黏刀现象，提高刀具耐用度，降低内环表面粗糙度值。铣削工艺参数见表4，表4中D为铣刀直径。刚性好时，应选较大的每齿进给量，必要时适当降低切削速度。精铣用顺铣，粗铣尽可能也采用顺铣。

表3 切削深度1～5 mm时的车削用量

表4 钛合金的铣削工艺参数

5.4 组件装配

轴流稳流装置组件由内外环通过过盈配合装配而成，为了保证装配质量，采取如下措施。

（1）加热外环，使其受热膨胀，然后压入内环。查阅相关资料得TC4钛合金线膨胀系数为8.8×10-6K-1。线性热变形ΔL=LaΔt，L为物体尺寸，a为线性热膨胀系数，Δt为温度变化量。根据计算，内外环的最大过盈量为0.495 mm。L为390 mm，为了保证内环能顺利压入外环，且不划伤内环表面，按0.55 mm膨胀量来计算加热温度：

环境温度按20℃计算，所以将外环加温到180℃并保温15 min，使外环充分变形，通过多件装配试验，组件能达到装配要求。

（2）为了控制加热变形，防止内外环因局部接触而受力不均匀，设计了一套内胀形装配夹具，如图5所示。内环装入夹具后，夹具将内环胀圆，充分与外环接触，再将外环法兰边用压板压紧，充分冷却后取下组件。

6 切削液的选择

在切削过程中，刀具与工件、刀具与切屑的表面间有着很大摩擦，使切削力、切削热和工件变形增大，导致刀具磨损，也影响已加工表面的加工质量。合理选用切削液可以改善金属切削过程的表面摩擦，减少刀具和切屑的黏结，抑制积屑和鳞刺的生长，进而降低切削温度，减小工件受热变形，保证加工精度，减小切削力，提高刀具耐用度和生产效率。

加工钛合金的切削液需要特殊考虑，实验室试验证明，切削液中如果有氯离子存在，会产生有毒物质，并引起加工材料氢脆，甚至腐蚀开裂。

在加工钛合金材料时，选用水基切削液可以带走热量并保持清洁，因此水基切削液成为最佳选择。全合成水基切削液为低泡型，具有出色的冷却性能、良好的过滤性能和清洁性能。乳化型水基切削液具有出色的润滑性能。半合成水基切削液则结合了全合成水基切削液和乳化型水基切削液的优点。

有效冷却和合理应用切削液是提高生产效率和改善材料被加工表面质量的主要措施之一。