鈦合金短軸的工藝研究

陳亞莉 鄭琪然 鄧 昶

（空軍駐中航工業黎明軍代表室,中航工業黎明，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

鈦合金短軸及其組件由2個單件短軸、擋油環電子束焊接組成，結構特殊，精度要求高，技術條件要求比較嚴格，加工很難保證。以前從未加工過類似結構的工件，沒有可借鑒的加工經驗。鈦合金材料難加工，而鈦合金制作的薄壁曲面工件，更難以保證其高精度的要求，實現此類特殊短軸工件的技術突破，對研究短軸及其組件有著重要的意義。

2 制定工藝前準備

2.1 零件圖分析

鈦合金短軸是由2個單件短軸和擋油環電子束焊接組成，主要單件材料為鈦合金，尺寸和技術條件多，精度要求高，很多技術條件都在0.008～0.02之間，且大多數為重要特性；徑向基準面為4級要求，尺寸公差0.012，粗糙度Ra0.8，圓柱度0.008，與軸向基準跳動0.02；內花鍵要求精度高，齒向公差0.015，不好保證；4個Φ4深70和16個Φ4深40的深孔，很難加工。還有徑向孔和槽、靜平衡等多項技術要求，精度要求高，加工很難保證。我們以前從未加工過類似結構的軸頸零件，沒有可借鑒的加工經驗。

2.2 材料切削加工性

材料為鈦合金，屬難加工材料，切削加工性差，加工效率低，刀具磨損大。

鈦合金切削加工性差的原因：

（1）導熱系數小，切削溫度高。熱擴散率（α=λ/cρ，其中c為定壓電熱容，ρ為密度，λ為導熱系數）表明鐵、鋁的熱擴散率分別是鈦的4倍和16倍，鈦合金的導熱系數平均為工業純鈦的一半，比不銹鋼，高溫合金的導熱系數還要低，這是造成切削溫度高的主要原因。

圖1 工件三維圖

（2）切屑與前刀面的接觸長度短，刀尖應力大。鈦合金切屑與前刀面的接觸面積小，只有45號鋼的1/2～2/3，所以單位切削刃上承受的應力就較大，是鋼的1.3～1.5倍。由于刀尖附近應力集中，刀尖或切削刃容易磨損甚至損傷。

（3）摩擦系數大，摩擦速度高。鈦合金與刀具材料間的摩擦系數大于碳鋼與刀具材料間的摩擦系數。切屑沿前刀面流出的速度VC=V/ξ，而鈦合金的切削變形系數ξ遠比其他金屬材料小，因而鈦合金切屑沿前刀面的摩擦速度高。結果是摩擦功大，摩擦界面溫度高，刀具易磨損。

（4）鈦和鈦合金在高溫時化學活性高，能與空氣中的氫、氧和氮起化學作用，形成脆性層、降低塑性，并且使切屑與前刀面的接觸長度減小，使刀具磨損加劇。

（5）彈性模量小，屈服比大。鈦合金的彈性模量約為鋼的一半，這就意味著切削加工時鈦合金零件容易產生較大變形。彈性模量小和屈服比大又會使已加工表面產生較大的回彈，使切削時刀具實際后角減小，則后刀面與零件的摩擦將增大。

鈦合金材料難加工，而鈦合金制作的薄壁曲面零件，更難以保證其高精度的要求。

3 主要表面的加工方法

3.1 內外型面的加工

內外型面尺寸多，配合尺寸精度比較高，技術條件比較嚴，5個配合面對基準跳動均為0.02，徑向基準面為4級要求，尺寸公差 0.012，粗糙度 Ra0.8，圓柱度0.008，與軸向基準跳動0.02，見圖3.1。考慮到組件只是電子束焊接擋油環，變形影響很小，所以內外型面、孔、花鍵、槽等在單件上加工完成，焊接、靜平衡在組件上進行。內外型面在單件上進行粗車、精車加工，保證配合尺寸和技術條件，加工前找正基準跳動不大于0.01。

3.2 內花鍵的加工

短軸大、小端各有1個內花鍵。大、小端內花鍵齒向公差0.015，精度要求較高，不好加工。內花鍵加工采用德國進口的數控插齒機進行插齒，刀具采用專用插齒刀，加工前先插試件，試件合格后再插工件。插齒時以端面為基準，壓緊上端面，加工前找正內孔表面不大于0.01。

3.3 深孔的加工

端面上有深70和深40的深孔，對基準外圓的位置度0.15很難加工保證，由于組件電子束焊接上單件擋油環后，槽口只有5個寬，機械加工難度更大，所以深孔選擇在單件上加工。

3.4 電子束焊接

短軸組件由2個單件電子束焊接組成，主要單件材料為鈦合金，根據工件的特性及標準的要求，我們采用了真空電子束焊機進行焊接。焊接前先用試片進行焊接試驗，試片材料與工件相同，接頭型式與工件相同。試片規格與數量如表3.1。由于設計結構緣故，焊縫鎖底寬度只有1，再加上材料原因，焊接性不好，所以對試片焊接后先進行X射線檢驗焊縫，待合格后，再進行工件焊接。工件焊后進行消除應力熱處理，采用真空爐。

3.5 靜平衡

靜平衡采用立式平衡機，制作專用夾具。平衡工件前先對夾具進行靜平衡，找正夾具的配合表面的跳動不大于0.015，夾具的不平衡量應不大于2g.cm。然后再對工件進行靜平衡，找正工件外圓跳動不大于0.02，再按設計要求位置及尺寸用銑削加工和打磨方法去除材料，剩余不平衡量不大于10 g.cm，去除后表面粗糙度為Ra3.2。

結語

經過進行鈦合金短軸及其組件工藝的分析研究，優化了工藝路線、加工方法，結果表明工藝路線、加工方法可行，工件加工符合設計要求，因而為類似短軸工件的機械制造加工提供了寶貴的經驗。

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