鈦合金薄壁曲面前軸頸工藝研究

摘 要：本文以某發動機“前軸頸”為載體，說明薄壁鈦合金軸頸類零件的加工工藝，通過合理的安排工藝路線，優化工裝結構，減小加工過程中的受力變形，利用數控加工設備實現薄壁腹板內外型面、加強螺紋、引線槽等數控加工，保證設計尺寸及技術要求。

關鍵詞：薄壁腹板型面車削；數控編程；變形控制；壁厚差保證

中圖分類號：TG14 文獻標識碼：A

某發動機高壓壓氣機前軸頸是安裝在高壓壓氣機轉子上的關鍵件，該零件結構復雜，尺寸精度高、技術條件要求極為嚴格，材料TC17的切削性差，是難加工材料，刀具易磨損，加工硬化現象嚴重。零件薄壁大端型腔復雜，需要設計、制造特殊結構的專用機夾刀具，采用數控車床，編制合理的數控程序，完成前軸頸深腔薄壁幅板型面和螺紋的加工。此外，引線槽、徑向孔、鎖片槽以及斜孔等結構需要在四坐標、五坐標加工中心上加工。

1 工藝分析

該零件結構復雜，尺寸精度及技術條件嚴格，加工過程中難以保證，需要制定合理方案來完成零件加工，包括零件內外復雜型面的加工問題、壁厚差控制等復雜結構的加工。零件大端的輻板型面為薄壁結構，外圓直徑為Φ498mm、大端面厚度2mm，淺喇叭輻板厚度3.16mm，型面范圍大，且腹板型腔復雜，腹板型面為圓弧轉接，小端直徑85.5mm，總長338mm，結構剛性差，技術條件要求嚴格。大端內外止口、小端止口、兩處加強螺紋對設計基準的跳動為0.01mm，零件尺寸精度和技術條件要求嚴格。采用以往加工方法研制，通常在普通車床上、用多把焊接刀具多次測量來完成零件加工，對操作者技能要求高，難于保證零件質量。必須在精密的數控機床上，制定合理的刀具結構、編制合理的數控加工方案，完成零件加工，滿足設計要求。

該零件為薄壁軸頸類零件，依據零件材料、結構進行工藝分析，零件主要輪廓需采用數控車加工，為此減小零件切削變形，保證技術條件是關鍵。斜孔及徑向孔等結構在四坐標及五坐標加工上進行。為減小零件變形，采用如下措施：

1.1 工藝路線

毛料—粗加工—穩定處理—半精加工—精加工。

工藝路線安排如下：車大端-車小端-超聲波-細車小端-細車大端-穩定處理-半精車內型面-半精車外型面-精車內型面-研磨大端面-精車外型面-標印-鉆孔-研磨大端面-鉆斜孔-插花鍵-鉆徑向孔-銑鎖片槽-銑大端半圓槽-研磨大端面-拋光-熒光檢查-最終檢驗-噴涂-磨外圓-修復基準-打磨-檢驗-靜平衡-濕吹砂-涂干膜潤滑劑-包裝入庫

1.2 夾具結構

由于鈦合金薄壁軸頸類零件容易產生零件回彈變形，零件尺寸和技術條件難以保證。夾具設計時需增加支撐結構以增加零件剛性，采用軸向壓緊的方法固定零件以減少零件的壓緊力，減小零件加工過程中的變形，提高加工精度。定位裝夾時所選用工裝的結構要合理，以增加零件剛性。

2 數控程序的編制

2.1 編制程序原則

編制數控程序應考慮：①根據零件材料、結構特點，選取合理刀具結構。②在強度允許的條件盡可以增加切深和切削速度。③余量較大時應安排粗車循環，減少工人手動上刀補的出錯機會。④還應考慮零件結構剛性，在走刀路線安排上盡量減少零件變形。⑤在精車時盡量采用輪廓編程以保證尺寸和技術條件要求。

2.2 MasterCAM編程

建立精車數控模型、仿真模擬走刀路線，檢查刀具干涉情況。內外型面交替加工以減少零件變形，在接刀部位，圓弧進退刀，保證接刀部位圓滑轉接。另外MasterCAM中建立相應刀具庫，以便自動編程時調用。將由AutoCAD中建立的半精車及精車工序的理論截面圖形導入到MasterCAM中，將前工序作為毛坯，后工序作為零件的幾何實體，將工序圖表中尺寸全部換算成中差尺寸，建立了數控車削6道工序的數學模型。

在MasterCAM lathe車削模塊中刀軌的生成，一般按以下操作進行，確定MCS坐標系，選擇刀具及刀具的具體參數，選擇加工方法，選擇加工邊界，設置刀具路徑產生刀位文件，刀軌的后處理。

3 加工試驗

3.1 摸索變形規律

加工過程中可以用零件余量進行切削試驗，摸索TC17零件變形規律。通過對比上刀量與實測值間差值，進行上刀試驗。由于切深、轉數及進給量不同，刀片的鋒利程度不同，零件和刀具受力亦不同，零件回彈變形程度也不同。嘗試找出其變形的特點和規律，實際加工中，由于零件直徑大，大端面壁厚僅2mm，零件軸向尺寸較長，剛性下降。腹板實際加工中，選用R2.5球刀，刀具切削刃與零件接觸面積過大，使切削力增大，零件發生震動，在大端端面出現振刀波紋，加工過程中噪音大。經過改變裝夾位置，調整加工參數，振紋消失，光度得到很大提高。

3.2 技術條件保證

在精車外型面的加工中，應先車加工全部，單邊留0.5mm左右余量時，松開壓板，去除壓緊力，在夾具定位面上將零件反復旋轉，充分釋放零件加工應力，采用較小壓緊力重新均勻壓緊零件，將零件加工至設計尺寸，以保證技術條件。

3.3 夾具減震支撐

夾具設計上為避免零件變形，采用軸向壓緊、同時漲緊內孔結構，有助于提高零件剛性。夾具在設計時考慮到零件加工時的測量問題，將小端止口的支撐設計為可拆卸的，以便用內徑千分尺直接測量。在精加工工序，因零件剛性差，使用的夾具定位表面與零件的配合間隙要合理，根據工藝規程中各工序給出的零件定位表面的尺寸公差和形位公差，來確定夾具定位表面的尺寸，使零件在裝夾后保證零件在夾具上的準確定位，便于加工、找正。

3.4 壁厚差的保證

在精車內型面時，需要同時加工外圓表面，以保證內外型面同軸。在精車外型面時，找正該外圓表面的跳動不大于0.01mm，這樣可以保證零件內外型面同軸，能滿足壁厚差不大于0.05mm的要求。

4 結果討論與分析

結合以往同類零件經驗，合理選擇加工設備、制定合理工藝路線，有效將零件變形量控制在規定范圍內，零件滿足設計尺寸的要求。

參考文獻

[1]盤軸制造技術[M].北京：科學出版社，2002，10.

[2]數控編程理論、技術與應用[M].北京：清華大學出版社.