張偉 王凱元 鄧月誠

摘 ?要：某一體導葉內(nèi)環(huán)包括鑄造Ti3Al基合金材料和熱等靜壓成型的Ti2AlNb材料2種。此類材料在航空航天發(fā)動機領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，其材料性質(zhì)明顯區(qū)別于目前機匣類零件所選用的各個牌號的鈦合金和高溫合金等，其金屬切削性能必然與傳統(tǒng)材料存在差異。以此次零件試制為契機，收集有關(guān)數(shù)據(jù)，摸索加工規(guī)律，并初步形成Ti2AlNb和Ti3Al基合金材料的切削性能技術(shù)總結(jié)，為以后加工同類材料零件時能夠有預見性地降低風險、提高效率、控制成本，是很有必要的。

關(guān)鍵詞：切削;Ti2AlNb;Ti3Al

中圖分類號：V229 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 項目背景

某導葉內(nèi)環(huán)目前存在2種結(jié)構(gòu)論證方案，其一是前、后半裝配結(jié)構(gòu)，其二是一體結(jié)構(gòu)。在一體導葉內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)方案中包括鑄造的Ti3Al基合金材料方案和熱等靜壓成型的Ti2AlNb材料方案。

Ti2AlNb和Ti3Al基合金具有比普通鈦合金更好的高溫性能、抗氧化能力和抗蠕變性能，又具有大幅小于鎳基高溫合金的材料密度，對發(fā)動機減重具有重要意義。因此，此類材料在航空航天發(fā)動機領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，是下一代航空發(fā)動機零件主要材料的最有力競爭者之一。

2 問題描述

Ti2AlNb和Ti3Al基合金作為機匣類零件的新型材料，其材料性質(zhì)明顯區(qū)別于目前機匣類零件所選用的各個牌號的鈦合金和高溫合金等，其金屬切削性能必然與傳統(tǒng)材料存在差異。目前行業(yè)內(nèi)對于此類材料的研究全部集中在材料、冶金、焊接等領(lǐng)域，在相關(guān)技術(shù)資料中幾乎找不到任何對其機械加工性能的介紹或描述。

3 攻關(guān)內(nèi)容

結(jié)合零件試制加工，對車削、銑削、鉆鏜、攻螺紋等工序的加工信息進行采集，試驗在多種不同的切削參數(shù)下，對刀具磨損、切屑狀態(tài)、零件表面質(zhì)量、加工面技術(shù)狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行收集和整理分析，歸納總結(jié)出一套較為經(jīng)濟合理的機加切削方案。 證實Ti2AlNb和Ti3Al基合金一體結(jié)構(gòu)導葉內(nèi)環(huán)單組件的機加可行性。形成Ti2AlNb和Ti3Al基合金切削性能技術(shù)總結(jié)報告。

4 具體工序的試驗內(nèi)容劃分

結(jié)合工藝路線分析可知，零件以車削加工為主（Ti3Al導葉內(nèi)環(huán)8道，Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)9道），車削主要使用常見的R0.8偏刀和R2球刀，粗精加工有序分布，加工部位也以非常典型的內(nèi)外圓、端面居多，具備較好的試驗條件，因此車削加工以分組試驗的方式采集加工數(shù)據(jù)并進行分析。

5 研究方式

考慮到現(xiàn)場的實際以及需要保證零件加工質(zhì)量和交付周期進行試驗攻關(guān)的實際情況，應當盡量減少試驗的變量;從機匣廠現(xiàn)場的實際應用出發(fā)，優(yōu)先探索加工時切削速度（轉(zhuǎn)速）、進給量、切削深度3個主要控制變量。將其他因素的影響盡可能地降低，以此來凸顯新材料在不同加工參數(shù)組合中的表現(xiàn)。

6 評價切削狀態(tài)的方法

影響切削過程的因素有很多，切削力、切削熱、材料、切削用量、刀具規(guī)格、切削連續(xù)性、振動、冷卻、潤滑、刀具磨損積屑、偶發(fā)意外等，變量的觀察和測量都比較困難，實際操作效率很低或者根本不具備觀測條件。

7 試驗參數(shù)選取范圍

以切削高溫合金常用的切削參數(shù)：n=15 r/min～35 r/min，f=0.1 mm/r～0.3 mm/r，ap=0.1 mm～0.4 mm為出發(fā)點，適當向“高點”拓展范圍，但在較穩(wěn)妥的“低點”范圍增加數(shù)據(jù)采集密度。

8 信息收集

在Ti3Al導葉內(nèi)環(huán)單件的No.20粗車前端、No.25粗車后端、No.60車前端焊蜂窩面、No.65車后端焊蜂窩面共4道車加工工序， Ti3Al導葉內(nèi)環(huán)組件的No.35精車前端、No.55精車后端共2道車加工工序中，共采集車削加工數(shù)據(jù)228組。

在Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)單件的No.25粗車前端、No.30粗車后端、No.35車前端焊蜂窩面、No.40車后端焊蜂窩面共4道車加工工序， Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)組件的No.35精車前端、No.55精車后端共2道車加工工序中，共采集車削加工數(shù)據(jù)87組。

9 數(shù)據(jù)分析

9.1 Ti3Al基合金導葉內(nèi)環(huán)車削

由表1可以得到以下結(jié)論。1）切深0.1 mm以下時，可選進給范圍0.1 mm～0.3 mm，進給增大時切削速度必須降低。 2）切深0.1 mm以上時，進給不能大于0.2 mm。3）切深不能超過0.5 mm，且切深增大，切削速逐漸降低。4）參數(shù)的基本范圍：切深0.5 mm以下、進給0.1 mm/r～0.2 mm/r、切削速度35 m/min～75 m/min（轉(zhuǎn)速約為15r/min ～ 35 r/min）。

Ti3Al基合金導葉內(nèi)環(huán)取得3級以上質(zhì)量系數(shù)、3級以上效率系數(shù)時不同切深所需要的切削速度和進給量。1）切深0.2 mm～0.5 mm，切深0.2 mm時進給不低于0.2 mm，

切深0.5 mm時進給不大于0.2 mm。1）進給0.1 mm～0.3 mm，且隨切深、進給增大，切削速逐漸降低。1）切削速度一般不低于35 m/min，不高于75 m/min，在切深0.2 mm以下時可以達到70 m/min以上。 1）參數(shù)的基本范圍：切深0.3 mm～ 0.4 mm、進給0.12 mm/r～0.32 mm/r、切削速度35 m/min ～75 m/min（進給0.3 mm/r時須降低）。

Ti3Al基合金導葉內(nèi)環(huán)取得3級以上質(zhì)量系數(shù)、3級以上效率系數(shù)時不同切深所需要的切削速度和進給量。1）切深0.2 ～0.5，切深0.2時進給不低于0.2，切深0.5時進給不大于0.2。2）進給0.1～0.3，且隨切深、進給增大，切削速逐漸降低。3）切削速度一般不低于35，不高于75，在切深0.2以下時可以達到70以上。4）參數(shù)的基本范圍：切深0.3 ～ 0.4、進給0.1～0.3、切削速度35 ～75（進給0.3時須降低）。

Ti3Al基合金導葉內(nèi)環(huán)對228組不同切削速度、不同進給、不同切深條件下的零件表面加工質(zhì)量進行評價，綜合加工效率，得出Ti3Al材料的切削加工參數(shù)結(jié)論。

車削參數(shù)可達范圍： vc= 33.46 m/min～84.82 m/min;f=0.1 mm/r ～0.4 mm/r;ap=0.15 mm～0.75 mm。

該范圍內(nèi)選擇的車削加工參數(shù)加工出零件尺寸合格，表面光順、粗糙度值不大于Ra3.2，無積屑或表面燒蝕的情況，切屑完整連續(xù)，排屑散熱情況較好，刀具磨損正常，加工中無刀刃崩碎情況，加工經(jīng)濟性良好，刀具磨損情況證實該材料硬度小于常見高溫合金，大于常見鈦合金，黏性不明顯，讓刀情況不明顯，具備機械加工條件。

9.2 Ti3Al基合金導葉內(nèi)環(huán)銑削

9.2.1 徑向凸臺表面

使用φ20R1合金銑刀側(cè)刃進給，ap=1 mm，S由300 r/min起始，逐漸增加至500 r/min，加工噪聲推測振動不明顯，該轉(zhuǎn)速下F由20 m/min提高到100 m/min完成加工（在近毛料表面F適當降低）。

9.2.2 噴嘴端面

使用φ14合金銑刀側(cè)刃進給，ap=1 mm，S由300 r/min起始，逐漸增加至400 r/min，加工噪聲和加工后表面質(zhì)量推測振動不明顯，該轉(zhuǎn)速下F由20 m/min提高到80 m/min完成加工。

9.2.3 徑向孔、端面孔、螺紋孔

徑向孔：φ12合金銑刀擴孔后φ19 鏜刀加工。擴孔ap=1.75mm，S=300r /min后調(diào)整至400r/min，F(xiàn)由20提高到30mm/min完成加工;鏜孔ap=0.25mm，S=300r /min未調(diào)整，F(xiàn)=10m/min后調(diào)整到20m/min完成加工。

端面孔：φ3中心鉆，S=300r /min，F(xiàn)=50; φ5.08鉆頭，S=300r/min，F(xiàn)=50;φ7鉆頭，S=400r /min，F(xiàn)=50 m/min;擴孔銑刀S=400r /min，F(xiàn)=50;鏜孔ap=0.25mm，S=400r /min，F(xiàn)=10完成加工。

螺紋孔：M6-6H螺紋銑刀，S=1 000 r/min，F(xiàn)=10 m/min未調(diào)整完成加工。

9.3 Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)車削

Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量、效率系數(shù)分布情況。1）切深0.2 mm以下時，可選進給范圍0.1 mm～0.4 mm，切深、進給增大時切削速度必須降低。2）切深0.3 mm以上時，進給不能大于0.3 mm。3）切深0.4 mm以上時，切削速度不大于65 m/min。4）切深不能超過0.5 mm，且切深增大，切削速逐漸降低。5）參數(shù)的基本范圍：切深0.5 mm以下、進給0.1 mm～0.4 mm、切削速度15 m/min～85 m/min（切深大于0.3 mm時須大幅降低）。。

Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)取得3級以上質(zhì)量系數(shù)、3級以上效率系數(shù)時不同切深所需要的切削速度和進給量： Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)對87組不同切削速度、不同進給、不同切深條件下的零件表面加工質(zhì)量進行評價，綜合加工效率，得出Ti2AlNb的切削加工參數(shù)結(jié)論。

車削參數(shù)可達范圍如下。

vc=37.70 m/min～84.82 m/min;f=0.1 mm/r ～0.3 mm/r;ap=0.1 mm～0.5 mm。

該范圍內(nèi)選擇的車削加工參數(shù)加工出l零件尺寸合格，表面光順、粗糙度值不大于Ra3.2，無積屑或表面燒蝕的情況，切屑完整連續(xù)，排屑散熱情況較好，刀具磨損正常，加工中無刀刃崩碎情況，加工經(jīng)濟性良好，刀具磨損情況證實該材料硬度小于常見高溫合金，大于常見鈦合金，黏性不明顯，讓刀情況不明顯，具備機械加工條件。

9.4 Ti2AlNb導葉內(nèi)環(huán)銑削

9.4.1 徑向凸臺表面

使用φ20R1合金銑刀側(cè)刃進給，ap=1 mm，S由400 r/min增加至500 r/min，該轉(zhuǎn)速下F由20 m/min提高到80 m/min完成加工（在近毛料表面F適當降低）。

9.4.2 噴嘴端面

使用φ14合金銑刀側(cè)刃進給，ap=1 mm，S由300 rev/min起始，逐漸增加至400 rev/min，加工噪聲和加工后表面質(zhì)量推測振動不明顯，該轉(zhuǎn)速下F由20 mm/min提高到50 mm/min完成加工。

9.4.3 徑向孔、端面孔、螺紋孔

徑向孔：φ12合金銑刀擴孔后φ19鏜刀加工。擴孔ap=1.75 mm，S=300 r/min后調(diào)整至400 r/min，F(xiàn)由20 m /min提高到30 m /min完成加工;鏜孔ap=0.25 mm，S=300 r/min未調(diào)整，F(xiàn)=10m/min后調(diào)整到20 m/min完成加工。

端面孔：φ3中心鉆，S=300 r /min，F(xiàn)=50 m/min;φ4.3鉆頭，S=300 r/min，F(xiàn)=50 m/min;φ7鉆頭，S=400 r /min，F(xiàn)=50 m/min;擴孔銑刀S=400 r /min，F(xiàn)=50 m/min;鏜孔ap=0.25 mm，S=400 r/min，F(xiàn)=10 m/min完成加工。螺紋孔：M5-6H螺紋銑刀，S=1 000 r/min，F(xiàn)=10 m/min未調(diào)整完成加工。

10 結(jié)論

對不同切削速度、不同進給、不同切深條件下的零件加工質(zhì)量進行評價，綜合加工效率，得出車削加工的如下結(jié)論，可達參數(shù)范圍見表2。

車削數(shù)據(jù)及推薦參數(shù)、銑削數(shù)據(jù)見前文分析。

參考文獻

[1]張建偉，李世瓊，梁曉波，等.Ti_3Al和Ti_2AlNb基合金的研究與應用[J].中國有色金屬學報，2010，20（S1）：336-341.

[2]馮艾寒，李渤渤，沈軍.Ti2AlNb基合金的研究進展[J].材料與冶金學報，2011，10（1）：30-38.