王 威 郭春艷 吳鐵石 鄧連興

（1．海軍駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2．中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

鈦合金材料具有高強度重量比、耐腐蝕和耐熱性強等特點，是航空發(fā)動機的普遍通用的金屬材料之一[1]。隨著加工技術(shù)的不斷精進，對零件的精品工程的要求越來越精準(zhǔn)、具體，要求零件加工達(dá)到高質(zhì)量、高效率的目標(biāo)[2]。而目前零件數(shù)控加工后，螺紋正反面倒角、孔背面的反劃窩、型面銑加工的接刀痕、型面銑加工產(chǎn)生的各種不規(guī)則銳邊等需要通過鉗工修整去除。為了更好地實現(xiàn)精品加工，需要從數(shù)控編程、加工刀具、在線測量等多角度開展研究，解決加工中的表面問題。該文以外涵承力環(huán)為研究對象，介紹了一種提升鈦合金易變形零件表面質(zhì)量的新型加工技術(shù)。

1 零件結(jié)構(gòu)特點

外涵承力環(huán)是發(fā)動機上主要的承力部件，零件尺寸φ1056mm×φ1000mm×78mm，壁厚（2±0.1）mm，材料為雙性能鈦合金，屬于典型的薄壁整體環(huán)形件。

外涵承力環(huán)材料主要為鈦合金TC4，鈦合金TC4 材料組成為Ti-6Al-4V，屬于（a+b）型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機械性能。國外先進的航空發(fā)動機普遍采用鈦合金作為壓氣機機匣、葉片、葉盤及風(fēng)扇涵道、燃燒室殼體等部件的材料，鈦合金的用量占發(fā)動機總重的1/4 以上。

鈦合金材料的主要特點有5 個：1）比強度高，TC4 的強度sb=1 012 MPa，密度g=4.4×103kg/m3，比強度sbg=23.5（合金鋼比強度一般小于18）。2）耐腐蝕好，無論是在潮濕的空氣或者在海水中，耐腐蝕性比不銹鋼等材料強，對氯化物及堿類、酸類物品均有一定的抗腐蝕能力，但對還原性氧及鉻鹽介質(zhì)抗腐蝕性差。3）化學(xué)活性大，與大氣中的氧氣、氮氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，TC4 表面硬度不高，HRC=30，但是加工時的熱量會使材料表面被氧化、氮化和碳化，會形成一氧化鈦、三氧化鈦、碳化鈦、氮化鈦的混合表皮，該混合表皮硬度較高。4）低溫性能好，在低溫下仍保持力學(xué)性能，在氣候溫度很低的惡劣天氣下工作的航空發(fā)動機，鈦合金材料仍能很好地保證其使用性能。5）此外鈦合金還有熱強度高、彈性模量小、導(dǎo)熱性差等特點。

TC4 在所有鈦合金種類中是應(yīng)用最為廣泛的。國內(nèi)外對鈦合金切削進行了很多研究，在機械加工領(lǐng)域中，刀具和TC4 的強化學(xué)親和性使刀具很容易失效，剪切力的突變性導(dǎo)致切削力急劇變化，刀具損耗增加。

2 研究內(nèi)容

以外涵承力環(huán)零件為載體，對零件的工藝文件編制、數(shù)控程序編制、零件變形補償、高效加工和異型刀具使用等方面進行研究與優(yōu)化。

3 技術(shù)方案

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

外涵承力環(huán)年長量大，零件最終交付之前需要經(jīng)過大量拋修工作，隨著精品工程的不斷推進，在零件的表面質(zhì)量方面的要求也在不斷提升，取消鉗工拋修是勢在必行的方向。目前零件無這方面的加工經(jīng)驗，可以借鑒的經(jīng)驗也非常少。因此，基于零件目前的加工現(xiàn)狀，針對零件加工中鉗工拋修的環(huán)節(jié)重新制定加工方案，組織技術(shù)攻關(guān)。

3.1.1 現(xiàn)場統(tǒng)計

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，零件加工涉及的鉗工加工共372 處，總計拋修時間為355 min，主要體現(xiàn)在粗銑加工不規(guī)則存在銳邊毛刺，后安裝邊背面劃窩需要鉗工干預(yù)，內(nèi)型面大孔倒角需要由鉗工進行操作，車銑之間接刀痕需要鉗工跑修，月牙槽上下邊存在毛刺等。外涵承力環(huán)零件鉗工的拋修量極大，需要通過技術(shù)研究解決鉗工拋修的問題。

3.1.2 現(xiàn)狀分析

對鉗工拋修的位置及拋修的原因進行歸類，為后續(xù)尋找解決方案做準(zhǔn)備。經(jīng)分析，可將零件的拋修原因分為工藝文件編制不具體、數(shù)控程序編制不完善、零件變形滿足不了加工要求、鉗工加工比較方便快捷、缺少機床加工的刀具等5 個部分。

3.2 加工方案優(yōu)化

3.2.1 完善工藝文件編制

針對工藝規(guī)程中沒有具體要求，或沒有明確提交檢驗員檢查要求的尺寸特性，更改工藝規(guī)程，明確倒角的具體位置及數(shù)值大小，并且增加檢驗員檢查的要求。

在工藝規(guī)程中有具體要求，例如工序中明確孔邊倒角大小，但是倒角尺寸沒有提交檢驗員檢查的要求，造成倒角未加工到位的情況不能被及時發(fā)現(xiàn)。針對此類問題，需要更改工藝規(guī)程，增加提交檢驗員檢查的要求。

3.2.2 完善數(shù)控文件編制

按照以往的加工習(xí)慣，車加工銳邊、銑加工銳邊毛刺及孔邊設(shè)計圖無倒角要求的銳邊毛刺通常由鉗工打磨解決，數(shù)控程序編制中缺少這方面的數(shù)控程序。針對目前現(xiàn)狀，在數(shù)控車加工、銑加工及鉆孔工序安排倒角加工工步。

編制孔邊倒角、銳邊倒圓滑及車銑加工接刀痕的數(shù)控程序，并引入高速切削的概念編制數(shù)控程序，盡量減少占用機床的時間。 高速切削理念源于20 世紀(jì)30 年代初，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高會升高，但是切削速度達(dá)到一定值以后，切削溫度不僅不會升高而且會降低，且該切削速度值與工件材料的種類有關(guān)。保證零件在高速區(qū)工作，可以使用現(xiàn)有刀具進行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

3.2.3 設(shè)備在線測量功能的開發(fā)與應(yīng)用

針對零件的微小變形對細(xì)微尺寸加工質(zhì)量的影響，開發(fā)設(shè)備的在線測量功能，加工前編制在線測量的數(shù)控程序，提取微小的變形數(shù)據(jù)補償?shù)綌?shù)控加工程序中，抵消加工中變形量，避免人工操作的隱患。

對于新型設(shè)備，直接利用設(shè)備的在線測量功能，進行數(shù)控加工中的變形補償；對于現(xiàn)場老設(shè)備，自行開發(fā)設(shè)備的在線測量功能，應(yīng)用到表面質(zhì)量提升的數(shù)控加工中。

原孔邊正反銳邊毛刺均采用鉗工手動拋修的形式去除，加工質(zhì)量不穩(wěn)定?，F(xiàn)編制銑加工輪廓數(shù)控程序，機床上鉆孔后直接倒角去毛刺，并采用在線測量技術(shù)，保證了微小余量加工質(zhì)量的可靠性。

階梯孔邊0.2 mm倒角必須利用在線測量技術(shù)才能保證孔邊倒角均勻。

3.2.4 特殊刀具的選擇

孔邊毛刺的問題，針對不同孔徑系列值范圍，采購不同系列的倒角刀具。

銑加工產(chǎn)生的銳邊毛刺，采用現(xiàn)有的球刀或者錐形球刀，應(yīng)用數(shù)控程序即可加工保證。

內(nèi)型面大型孔的孔邊倒角，采用數(shù)控曲面反倒角刀加工。

數(shù)控加工倒角后仍存留的微小毛刺，外購孔徑相近的金屬毛刷進行機床上去除。

螺紋銑刀刃長不足的問題，重新外購刀具解決。

4 技術(shù)方案現(xiàn)場驗證

4.1 新型夾具的應(yīng)用，減小零件的微量變形

引用新型液壓夾具的概念，使用液壓夾具定位壓緊零件。液壓夾具對內(nèi)型面進行精準(zhǔn)定位（夾具圖如圖1 所示）：在對大型夾具成功減重的基礎(chǔ)上，控制了零件加工的微量變形，實現(xiàn)了工件自動夾緊和快速裝夾，整體加工效率提高了1%，同時避免了加工中各種接刀痕的產(chǎn)生，有效地改善了加工質(zhì)量。

4.2 高效加工數(shù)控程序現(xiàn)場應(yīng)用

針對安裝邊位置接刀痕，通過數(shù)控程序優(yōu)化，改變了進退刀的加工順序，減小了進刀時接觸安裝邊產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象。原接刀痕的進刀過程改為切削結(jié)束的出刀過程后，零件加工產(chǎn)生的接刀痕接近于無，只存在于視覺上實際測量小于等于0.01 mm 的效果。改進后經(jīng)現(xiàn)場驗證接刀痕小于0.01 mm，不需拋修，節(jié)省拋修時間15 min。

圖1 新型夾具圖

針對外型面銑加工接刀痕，通過引用參數(shù)編程及實體延伸技術(shù)控制接刀痕。如圖2 所示，利用系統(tǒng)參數(shù)，每一處型面單獨定義一個變量，用于定義每一處型面的變形量，補償?shù)矫恳惶幮兔娴募庸こ绦蛑小?利用在線測量技術(shù)，測量每一處型面的變形量，補償?shù)綌?shù)控加工程序中。

現(xiàn)利用實體延伸技術(shù)，實現(xiàn)了曲面清根過程刀具始終垂直加工底面，完美地消除了曲面加工的不同刀具之間的接刀痕現(xiàn)象。

改進后外型面無接刀痕。外型面的開闊區(qū)域與安裝邊的轉(zhuǎn)接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無痕跡加工，從本質(zhì)上解決了不同刀具、不同切削方向的加工變形產(chǎn)生的接刀痕問題。節(jié)省拋修時間25 min。

4.3 新型、異型刀具的應(yīng)用

4.3.1 利用庫存異型刀具，解決異型曲面的倒角/銳邊加工

利用改磨后的庫存異型倒角刀具，數(shù)控加工月牙槽上下兩邊銳邊，完整去除毛刺。同時應(yīng)用在線測量技術(shù)，抵消零件變形量，提高曲面細(xì)微加工余量的加工質(zhì)量。改進后毛刺在月牙槽可完整去除。

錐球刀具，去除外型曲面銳邊毛刺。外型曲面銳邊達(dá)147 處，而且局部銳邊加工區(qū)域狹小，使用Φ4 錐球銑刀加工比較完善。改進后鉗工拋修時間減少70 min。

凹型曲面內(nèi)部的斜孔的反倒角，原采用鉗工手動倒角，由于倒角部位本身余量不均衡，保證加工質(zhì)量有一定的難度?，F(xiàn)采用跟蹤式參數(shù)編程的方法，保證零件余量去除均勻。螺紋孔邊毛刺的產(chǎn)生原因為原加工方法加工的倒角較小，導(dǎo)致銑加工螺紋后毛刺去除不干凈。現(xiàn)增加螺紋孔邊倒角，解決了孔邊毛刺問題。

圖2 參數(shù)編程示意圖

利用在線測量功能有效地抵消了零件自身的變形量，從而保證了加工質(zhì)量。

4.3.2 采用新型刀具，解決超長螺紋加工問題

零件徑向的加長螺紋正常M6螺紋銑刀刃長13.5 mmmax，現(xiàn)加工M6 螺紋長度17.2 mmmin，銑加工螺紋后需要鉗工繼續(xù)攻螺紋合格。

應(yīng)用新型刀具機攻螺紋，改用機攻螺紋后，不僅解決了螺紋銑刀刃長的問題，而且一次性加工合格，同時解決了螺紋銑刀磨損后反復(fù)銑螺紋的問題。 改機攻后一次加工合格，機加時間無變化，節(jié)省攻絲時間20 min，改進后刀具及加工后效果示意圖如圖3 所示。

4.4 在線測量技術(shù)在易變形零件中的應(yīng)用

圖3 新型刀具及加工效果示意圖

零件表面質(zhì)量的加工屬于微量加工范疇，零件的微小變化均會影響零件表面的加工質(zhì)量，而目前航空航天領(lǐng)域的零件加工絕大多數(shù)屬于薄壁易變形零件，這就在很大程度上增加了表面質(zhì)量的加工難度?，F(xiàn)開發(fā)加工設(shè)備的在線測量功能，加工前隨零件形狀編制在線測量的數(shù)控程序，提取微小的變形數(shù)據(jù)補償?shù)綌?shù)控加工程序中，抵消加工中變形量，從而保證了微量加工的加工質(zhì)量。

5 結(jié)語

采用新加工技術(shù)加工的外涵承力環(huán)，成果包括4 個方面：1）由于去除微小毛刺加工的余量也非常小，通常只有0.2 mm，因此，必須考慮零件的變形量對此加工的影響。在線測量技術(shù)在這種加工中的作用非常突出。利用機床在線測量功能，監(jiān)測零件加工區(qū)域的變形數(shù)據(jù)，利用機床參數(shù)庫功能，即時補償?shù)剿庸さ臄?shù)控程序中，實現(xiàn)柔性化，能保證整個型面0.2 mm 余量加工的均勻性。2）在大型零件的清根過程中，當(dāng)同時存在側(cè)面和底面的切削，在數(shù)控程序編制中，注意測量刀具主軸與切削底面的垂直情況，避免因數(shù)控程序?qū)е录庸^(qū)域出現(xiàn)接刀痕。3）充分利用機床參數(shù)庫，編制數(shù)控加工的參數(shù)程序，可以有效地避免零件加工中的微量變形對零件表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，加工程序中通過參數(shù)調(diào)用，有效地去除接刀痕。4）對于大型薄壁零件，液壓夾具的使用能非常有效地解決由于強度問題引起的零件變形。同時，因漲緊后強度非常高，加工效率提高了1%。因此，建議大型薄壁零件盡可能使用液壓夾具。

針對鈦合金零件，研制出了新的制造技術(shù)。經(jīng)實踐證明，此加工技術(shù)適用于航空發(fā)動機整體機匣、對開機匣等環(huán)形易變形零件的加工過程中，是對機匣加工技術(shù)的拓展和創(chuàng)新。