航空发动机钛合金增压级鼓筒的变形控制

　　随着高性能航空发动机推重比的提高，增压级鼓筒的作用愈来愈大，典型的特征是结构复杂、壁厚薄，在机械加工中容易产生变形，影响其加工精度和加工质量，从而影响发动机的性能。钛合金因其比强度高、耐腐蚀、高温高强度等显着优点被广泛应用于航空发动机中。本文以航空发动机增压级鼓筒为载体，针对钛合金材料及鼓筒结构特点，通过优化工艺设计过程，控制薄壁鼓筒加工变形，保证产品加工质量。

　　1. 钛合金材料的加工特点
　　钛合金是典型的难加工材料，其加工困难主要来自两个方面：一是由钛合金材料自身的特性所决定的，二是零件结构特点所决定的。钛合金材料自身特性决定了其加工困难有：①导热系数低，造成切削过程中散热差，致使刀具切削刃的温度大幅度增高，从而严重影响刀具寿命和零件表面加工质量。②弹性模量小，在切削力作用下，易产生弹性变形。与已加工表面产生强烈磨损，并导致刀具磨损加剧，易引起切削振颤。③化学活性高，极易与刀具材料产生亲和作用，导致粘接、扩散，大大降低刀具寿命。④钛合金材料的塑性低，切削时切屑变形系数小，切屑流动速度大，故单位切削力较大，容易引起刀具的磨损。

　　零件的结构特点（见图1）增加了加工困难，这是因为：①增压级鼓筒为多级榫槽的整体零件，直径一般大于800mm，高度在400mm左右，壁厚2.15mm，属于大直径薄壁鼓筒。由于零件刚性差，加工中易产生切削振动，一方面严重影响切削效率的提高，另一方面对加工表面质量的提高产生重要影响。②增压级鼓筒环形燕尾榫槽为封闭型面且腔大口小。加工中，切削液很难喷射到刀尖部位，影响冷却润滑效果，易导致热量集中。③由于增压级鼓筒的薄壁结构特点，加工过程中易产生让刀，同时随着残余应力释放，加工变形现象严重，影响零件加工精度。

图1  增压级鼓筒结构

　　2. 变形原因分析
　　影响增压级鼓筒加工变形的原因很多，但在制造系统中，变形的主要因素有：零件的装夹条件，加工残余应力、切削力和切削热及切削振动等因素。

　　（1）零件的装夹  因薄壁零件刚性差，夹紧力与支承力的作用点选择不当，会引起附加应力。

　　由于夹紧的弹性变形将影响表面的尺寸精度和形状、位置精度，产生加工变形，所以零件加工时的装夹、定位设计是减小变形、保证质量的重要因素之一。

　　（2）残余应力  零件在加工过程中，由于刀具对已加工面的挤压、刀具前刀面与切屑、后刀面与已加工表面之间的摩擦等综合作用，使零件表层内部产生新的加工残余应力。残余应力是一个不稳定的应力状态，当零件受到外力作用时，外力与残余应力相互作用，使其某些局部呈现塑性变形，截面内的应力重新分配，当外力作用去除后，整个零件由于内部残余应力的作用发生变形，这种切削过程中残余应力的重新分布引起的零件变形，对加工质量产生重要影响。

　　（3）切削力和切削热   在切削过程中，为了克服被加工材料的弹性变形、塑性变形以及刀具与切屑和工件之间的摩擦，会产生切削力和切削热，在切削力和切削热的作用下，容易产生振动和变形，影响零件加工质量。另外，机床、工装的刚性，切削刀具及其角度、切削参数和零件冷却散热情况等对零件的变形也有一定的影响。所有因素中，切削力、夹紧力以及残余应力是产生加工变形的主要因素。

　　3. 工艺方案设计
　　增压级鼓筒的材料为钛合金Tc4，毛料为模锻件，供货状态为粗加工后的精化毛料，如图2所示。

图2  增压级鼓筒毛料

　　由于受超声波探伤的限制，毛料型面相对简单，而零件最终型面较为复杂，使得各表面加工余量差异较大，因此必须安排粗加工工序，去除余量并使各表面加工余量保持基本均匀。在粗加工后，安排消除应力热处理，去除粗加工产生的残余应力；热处理后，会造成零件变形，为此，精加工前安排修基准工序，提高零件精加工的定位面精度，避免零件由于 “误差复映”而产生的变形。主要机加工工艺路线：车加工超声波表面→超声波探伤→粗车内外型面→消除应力热处理→车基准→精车内外型面→铣叶片安装槽、锁紧槽→检验。

　　4. 变形控制
　　针对钛合金材料及零件特点，从零件装夹、刀具、切削参数及走刀路径等方面综合考虑，控制零件加工变形。

　　（1）夹具结构设计  选择零件刚性较好的配合表面作为定位面，采用轴向定位、压紧并保持作用点的位置一致，避免零件在夹紧力的作用下产生变形。

　　针对零件整体高度较高，壁厚较薄、刚性较差的结构特点，在车加工零件小端时，选用端面作为轴向定位支撑，定位块径向定位；加工内腔型面时，采用大端安装边压紧的方式；加工外型面时，采用端面压盖压紧的方式，在加工小端各型面时，考虑到零件的整体高度较高，加工时易产生振动，故夹具定位面选择在零件的中间部位端面，使定位面的相对高度下降，可提高零件的整体刚性。

　　由于该零件具有大而薄的结构特点，在粗加工中尽可能去除较多的余量，但随着余量不断地去除，零件壁厚减小，其刚性降低，会造成零件表面产生加工振纹，同时零件加工变形增大。因此，在加工零件内外型面时，分别在夹具内外型面加工的相应部位增加辅助支承，如图3所示，不仅增加刚性，抑制零件的加工变形，还可吸收零件振动的能量，消除振动，提高整个零件的抗振能力。

图3  内外型面辅助支承

　　（2）刀具材料及几何参数  钛合金难加工性的一个关键因素之一就是“热”的问题，而切削热是引发零件变形的因素之一。切削钛合金时，切屑很容易粘接熔接在刀尖刀刃附近，或形成积屑瘤，在整个刀尖附近前、后刀面上形成高温区，使刀具红硬性丧失，磨损加剧。此外，由于钛合金的亲和力强，加工钛合金使用的刀具材料要少钛或无钛元素。而涂层刀具中的TiN和TiC等和被加工的钛合金之间易发生化学反应及熔敷现象，造成刀具严重磨损、切削力增大以及零件变形。为此，我们选用与钛合金亲和力较小的非涂层超细颗粒的钨钴类硬质合金车刀，并且高钴类刀具效果最为理想。钴的主要作用能加强二次硬化效果，提高热硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性及良好的散热性。

　　钛合金弹性模量小，加工变形大。刀具后角要大些，一般取αo  =15° ～18° ，减少加工表面与后刀面间的摩擦提高刀具寿命。车削薄壁件时，前角也要选大些γo =10° ，主偏角75° ～90° ，有利于降低径向力，防止振动。刀头圆弧半径决定刀尖强度、散热及磨损，不易过大，一般取rε=1～2mm。

　　切削钛合金必须保持刀具锋利，减小加工变形，降低加工硬化，提高加工表面质量。

　　（3）切削用量  切削过程中的振动是制约薄壁鼓筒加工质量提高的重要因素之一。 必须保证在稳定条件下加工才能最大限度地提高刀具寿命，保证机床精度。在钛合金加工工艺参数优化时必须考虑机床、刀具及零件的动态特性，进行基于切削稳定性的工艺参数优化。

　　钛合金材料的性能决定了在同样的切削用量下，加工钛合金时，刀具单位面积所承受的切削力要比加工一般钢材时大得多，切削温度也高得多，因此使刀具磨损很快，材料的可切削性恶化。为了改善切削条件，加工时，使用大量可溶性切削液，降低切削温度，提高刀具寿命，减小零件变形。在精车钛合金鼓筒时，切削用量应为v=50～70m/min，f =0.1～0.2mm/r，a p=0.3～1mm。

　　加工钛合金切削用量的选用准则：应从降低切削温度的观点出发，采用较低的切削速度和较大的进给量。由于高的切削温度使钛合金从大气中吸收氧和氢造成工件表面硬脆，使刀具剧烈磨损，造成零件变形。因此在加工过程中，须使刀尖温度保持在合适的温度，避免温度过高，影响零件变形。

　　（4）走刀方式与走刀路径  走刀路径对提高薄壁鼓筒加工精度产生重要影响。在走刀路线的安排上，先去除余量较大表面，再依次去除余量较小的表面，最后修复基准面。对于具有定位功能的表面，尽可能采用由内向外的走刀方式，形成内凹的微观结构，有利于定位。

　　粗加工余量较大部位，采用插式分层循环走刀方式，能有效提高加工效率，降低切削变形及其影响，如图4所示；精加工采用循环与轮廓走刀相结合的方式，减小零件变形，如图5所示。

　　走刀时尽量使刀片承受的切削力压向刀杆方向，使加工过程平稳；采用相对、相背离的走刀方式，抵消加工应力，以利于材料均匀去除，使残余应力均匀释放并保持零件刚度的均衡性，以减小零件加工变形，如图6所示。

图4  内外型面粗加工走刀刀轨

图5  内外型面精加工走刀刀轨

　　（5）程序编制   在数控程序编制时，充分考虑零件结构特点，优化运动轨迹。粗加工时，编制循环数控加工程序，分层去除余量，既减少加工应力，控制零件变形，又有利于排屑和断屑，有效提高零件的加工质量及加工效率。精加工时，采用刀心编程与轮廓编程相结合的方法，在轮廓接刀部位采用切向圆弧切入切出的方式，使得切入切出平稳过渡，避免在轮廓面上留下刀痕，保证零件加工表面质量。

图6  走刀刀轨

　　（6）热处理去应力   薄壁结构的零件在加工过程中，因应力释放极易变形，工艺方法常采用粗、精加工分开进行，并在粗加工后进行去应力热处理，去除锻件及粗加工产生的残余应力。对于变形严重的高精度零件，还要安排半精加工，并进行多次去应力处理。

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