提高鈦合金作動筒加工質量

卑喜敏，王玉華，王勁松

1.沈陽黎明航空零部件制造有限公司，遼寧沈陽 110043

2.沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽 110043

0 引言

作動筒內孔的表面質量直接影響發動機的尾噴口工作時的平穩性、可靠性。作動筒內孔的表面粗糙度和加工精度都對發動機工作有重大影響。而決定作動筒內孔精度的主要工序是絎磨工序。絎磨是孔精度提高和粗糙度降低的有效方法，經過絎磨后的工件，表面粗糙度可以達到RA0.8-0.2。

目前，針對鈦合金作動筒內孔珩磨還處在起步階段，以前采用的工藝方法是精車及磨加工方法，加工后的內孔尺寸精度、圓柱度及表面粗糙度值及都較低，磨削后的表面易燒傷，加工時需要找正內孔，兩端孔的同軸度很難保證，生產效率低下，需要更先進的工藝方法-珩磨加工。但是珩磨設備少，珩磨油石參數及珩磨余量很難確定，要反復摸索油石及珩磨余量的參數，那么，要實現鈦合金作動筒內孔的珩磨，就要結合實際零件摸索出適合的珩磨內孔的所需要的珩磨余量、磨削參數及珩磨油石的相關參數，下面就如何解決鈦合金作動筒內孔珩磨的問題進行闡述。

1 典型鈦合金作動筒零件內孔加工面臨的問題

作動筒內孔的尺寸、幾何形狀精度及表面粗糙度是對發動機工作影響最重大的因素之一，作動筒內孔的最終精度形成的工序——珩磨工序也成了作動筒加工中最重要的一道工序。

對典型作動筒結構分析：主要尺寸、技術條件及表面粗糙度

1）兩端孔的同軸度0.03mm、圓柱度在160mm的長度上0.01mm，是保證作動筒平穩性的技術關鍵；

2）大小孔的尺寸公差為0.02mm，0.021mm，表面粗糙度0.2；

3）零件壁厚為3.0mm；

4）零件材料為TC6。

1.1 作動筒工藝路線

原工藝路線：模鍛件——粗車外圓、鉆孔——粗車另一端外圓、鏜孔——半精車內孔及——半精車另一端內孔及槽——車接嘴——精車外圓筋板及螺紋——磨削大小孔——拋光內孔——修正兩端螺紋——清洗——熒光檢查——檢驗 。

上述主要加工工序的作用：

1）半精車兩端內孔；為車削接嘴和外圓筋板作基準；

2）精車大孔；保證磨加工前尺寸余量及表面粗糙度；

3）精車小孔；保證磨加工前尺寸余量及表面粗糙度；

4）磨削大孔；保證內孔尺寸精度和圓柱度及表面粗糙度；

5）磨削小孔：保證小孔尺寸精度和同軸度及表面粗糙度。

1.2 問題的分析

原工藝路線存在的問題：

1）由于該作動筒是鈦合金，磨削性能差，內孔易燒傷。而零件長度較長且壁薄，加工后尺寸精度和圓柱度超差，內孔表面粗糙度值高；

2）同軸度0.03是用大孔做定位加工保證的，由于大孔精度超差，大孔對小孔同軸度易超差；

3）加工工序較分散，需要專用夾具較多，工裝成本增大，生產效率低；

4）大部分工序在普通設備上加工，多次裝夾，定位誤差大，尺寸精度低。

1.3 采取的措施

1）將零件工序集中，根據零件結構特點，加工內孔和外接嘴安排在車銑加工中心上進行，提高了零件的加工效率和尺寸及幾何形狀精度，減少了專用夾具數量，降低了工裝成本；2）由于加工中心設備精度高，大小孔可以一次加工完成，既保證了尺寸精度有保證了兩孔的同軸度，為珩磨孔奠定了基礎；3）為了珩磨方便加工，可以將大孔加工出倒稍并嚴格控制珩磨前內孔的余量和幾何形狀精度，給珩磨工序奠定良好的基礎；4）將磨加工大小孔工序改為珩磨加工，提高內孔尺寸精度、表面粗糙度及圓柱度。

改進后的工藝路線：模鍛件——粗車外圓、鉆孔——粗車另一端外圓、鏜孔——車削內外表面及螺紋、銑螺紋接嘴——珩磨大孔——珩磨小孔——修正兩端螺紋——清洗——熒光檢查——檢驗 。

1.4 對珩磨工序加工參數的選擇

1.4.1 珩磨加工的工作原理

絎磨是通過安裝在絎磨頭上的油石，由張開機構將其壓向四周的工件孔壁，通過做旋轉或直線往復運動，達到對孔進行低速磨削和破光。

1.4.2 珩磨特點

珩磨加工與一般切削加工相比，具有下列特點∶

1）可獲得高的加工精度；加工直徑 50mm～200mm的中等孔時，圓度公差可達3um～5um，圓柱度公差可達10um；

2）可以獲得高的表面質量，表面粗糙度Ra值通?？蛇_0.8um～0.1um，最高可達0.1um以下。

1.4.3 珩磨油石

1）珩磨油石的磨料

珩磨油石的磨料是油石的一個重要性能，它直接影響到珩磨加工的表面質量和生產率。生產中使用的珩磨油石主要有白剛玉、棕剛玉、黑色碳化硅、綠色碳化硅、人造金剛石、立方氮化硼等。

2）珩磨油石的粒度

珩磨油石的粒度的粗細直接影響加工表面的表面粗糙度。在表面粗糙度允許的前提下，選擇粗一些的粒度，可以獲得高的生產率。精珩應選用W40以上規格，半精珩選用180#-280#規格，一般粗珩選用80#-180#規格。

3）珩磨油石的硬度

絎磨油石的軟硬要根據絎磨金屬的硬度來選擇。一般情況下，絎磨硬的進入要選擇軟的油石，而絎磨軟的金屬則要用較硬的油石。這里說的油石硬度跟磨粒的硬度無關，是指結合劑對磨粒粘結能力的強弱。絎磨油石的硬度過低，油石消耗就快，不太容易控制尺寸。脫落下來的磨粒也容易劃傷工件。絎磨的效果略差。而絎磨油石硬度過高，則磨耗后的磨粒不容易脫落，造成油石表面堵塞，切削性降低甚至消失，還容易造成工件表面燒傷。所以，絎磨的油石硬度的選擇很重要。

4）珩磨油石的結合劑及組織

一般末了的絎磨油石有兩種：。陶瓷結合劑（代號V）和樹脂結合劑（代號B）。陶瓷結合劑的主要特點是硬度不均勻，油石較脆，容易在珩磨過程中出現剝落。而樹脂結合劑的油石強度高，有彈性，能抗振。油石磨損均勻，不容易碎。珩磨出來的工件比陶瓷結合劑的光滑度高。

1.4.4 珩磨用量

珩磨用量包括：切削速度、網紋交叉角、油石工作壓力、微量進給速度、加工余量及超程量等。

1）切削速度與網紋交叉角

珩磨的加工效率和加工質量與珩磨切削速度、切削交叉角、圓周速度、往復速度有關。被加工材料的磨削性能決定了圓周速度和往復速度。韌性的材料，兩種速度應取??；一些脆性的材料，兩種速度可取大一些。珩磨速度亦因設備和珩磨工藝的情況而變化，在很大程度上取決于珩磨油石的質量和對工件材料的適應情況。

2）珩磨油石工作壓力

油石的工作壓力一般是指垂直作用在油石單位面積上的平均壓力。壓力大小的確定要考慮工件的材料、形狀、大小、魔頭剛性等等因素。

3）微量進給速度

珩磨油石微量進給速度（即徑向進給量）對加工效率、加工精度、加工表面粗糙度、油石磨耗量影響較大。選取微量進給速度應根據工件材質、油石種類、性能、加工精度及工件孔的形狀公差等因素考慮。

4）珩磨的加工余量

珩磨加工余量對珩磨質量和生產率有很大影響。珩磨加工余量一般為前道工序形狀誤差及表面變形層綜合誤差的2倍～3倍。

1.4.5 切削液

絎磨中必須使用切削液。它在絎磨中起到冷卻的作用，能夠及時沖刷走絎磨下來的磨粒、碎屑等，避免油石堵塞。能夠在油石和工件接觸表面形成一層油膜，改善工作狀況。

切削液的種類：

有油劑和水劑兩種，水劑切削液冷卻性和沖洗性較好，適應于粗珩。油劑切削液通常加入適量的硫化物，硫和鐵元素化合形成一種抗粘結焊和堵塞的硫化鐵，對改善珩磨過程有利。

5 結合實際對珩磨工序進行試驗

根據作動筒的材料選擇了油石參數、珩磨用量和油劑切削液進行試加工。

試驗方法：

1）將選取粗珩、精珩油石分別裝在通用珩磨頭上，根據需要珩磨的尺寸將珩磨頭的油石進行修整；

2）檢查作動筒內孔尺寸精度（包括倒稍尺寸、幾何形狀精度、同軸度及表面粗糙度）是否符合珩磨前的尺寸精度。在美國善能立式珩磨機設備上將零件外圓固定在專用夾具上，以小孔定位，分粗精珩磨大孔，再以大孔為定位，分粗精珩磨小孔，選擇粗、精珩磨余量，需用油劑切削液充分冷卻，保證了尺寸精度。

其中：兩端內孔的同軸度是靠珩磨前車加工工序一次加工保證的，珩磨余量是車加工內孔時控制的尺寸精度、幾何形狀精度及表面粗糙度。

在試驗中，通過對鈦合金作動筒珩磨參數的反復試驗摸索，確定了適合的珩磨油石及珩磨參數。

6 珩磨油石及珩磨余量的選擇

根據珩磨工作原理、珩磨油石特性、珩磨切削參數，選擇了適合加工鈦合金作動筒內孔的珩磨油石及珩磨參數。

1）油石的具體參數：（1）珩磨油石的磨料；白剛玉磨料；（2）珩磨油石的粒度；選用80#-180#進行粗珩，然后選用W40進行精珩；（3）珩磨油石的硬度;粗珩時為L-Q，精珩時選用M-R；（4）珩磨油石的結合劑及組織；樹脂結合劑。

2）珩磨用量：

（1）在粗珩時圓周速度18m.min～25m.min，往復速度10m.min～25 m.min，交叉角45°。在精珩時圓周速度25m.min～30m.min，往復速度10m.min～25 m.min，交叉角30°；

（2）粗珩加工時油石工作壓力0.8MPa～2.0MPa，精珩加工時油石工作壓力0.8MPa～2.0MPa；

（3）粗珩的珩磨余量為0.08mm～0.15mm.，精珩的珩磨余量為0.02mm～0.06mm。

7 試驗結果

通過改進的工藝路線進行加工，運用選定的珩磨油石參數及珩磨余量對一批作動筒進行試加工，試驗結果：通過合并工序，生產效率提高了60%以上，降低了工裝成本，用珩磨工序代替磨加工工序加工內孔，內孔質量滿足了圖紙規定要求，合格率達到100%。作動筒通過磨合試驗，消除了卡滯現象，確保了作動筒的工作平穩性，摸索出珩磨鈦合金材料的珩磨油石參數和珩磨余量，為今后類似零件珩磨奠定了良好的基礎，達到了本次攻關的目的。

8 操作珩磨設備安全技術要求

1）工件裝夾牢固，調節行程時要留意是否可能碰撞，第一次行程應做慢進給試驗，使用前各潤滑部位要加油，并開車運行 2min～3min；

2）加工件要放置平穩、地面油漬隨時清除；

3）珩磨頭如果裝萬向接頭時，開車前必須將珩磨頭前端先進入工件內，以防止珩磨頭向外飛出傷人，操作時要防止夾傷手指；

4）工作前，檢查接地線是否安全可靠。工作中防止電氣設備沾上潤滑液、冷卻液，并防止因電線與運轉部件磨損而發生漏電事故。

[1]王世清.深孔加工技術[M].西北工業大學出版社，2003.