薄壁盤類零件變形控制

摘 要：回流器蓋板是渦軸發(fā)動機(jī)的重要部件，文章通過對回流器單組件結(jié)構(gòu)的分析；研究了鈦合金材料的機(jī)加性能，研究了加工回流器蓋板型面的最佳工藝方法，最終制定準(zhǔn)確的加工工藝路線。文章重點研究薄壁件的變形控制。

關(guān)鍵詞：回流器蓋板；鈦合金；變形控制

1 緒論

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟，有了適用的航空發(fā)動機(jī)，才實現(xiàn)了真正有動力、可操縱的載人航空飛行。隨著航空發(fā)動機(jī)的更新?lián)Q代，推動了軍民用航空器一代一代的向前發(fā)展。推重比作為航空發(fā)動機(jī)更新?lián)Q代的重要指標(biāo)，因此減小零件的重量成為航空發(fā)動機(jī)發(fā)展道路上的重要工作，因此發(fā)動機(jī)中的薄壁零件越來越多，加工難度也越來越大。鈦合金以其比強(qiáng)度高、機(jī)械性能及抗蝕性良好而成為飛機(jī)及發(fā)動機(jī)理想的制造材料。

某型機(jī)的回流器蓋板是典型的薄壁盤類零件，材料為鈦合金。回流器蓋板的最大外廓尺寸420mm，內(nèi)、外壁壁厚為2mm，外壁和內(nèi)壁的兩端為圓弧狀（流道面），在加工過程中無法裝夾定位，而其要求配合面的平面度為0.05mm，且平行為0.02mm，由于零件外壁和內(nèi)壁的兩端均為圓弧狀，沒法定位和夾緊，因此解決該零件的定位和夾緊以及如何減小定位和夾緊變形是該零件加工的主要難點。另外在零件壁薄加工時刀具和切削參數(shù)的選擇也將影響零件的變形，影響其精度。

為最大程度上控制薄板變形，擬制造專用的工藝裝備，對零件裝夾定位及其夾具結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究、加工參數(shù)對控制薄壁件變形技術(shù)研究、加工過程中控制殘余應(yīng)力的技術(shù)研究、加工過程中形位公差控制技術(shù)研究。加工編程時合理選擇刀具和加工順序，確定合適切削參數(shù)，減少切削變形。根據(jù)實際加工情況調(diào)整切削參數(shù)，摸索參數(shù)變化對變形的影響，找出合理切削參數(shù)，減少切削變形。

2 典型薄壁件結(jié)構(gòu)分析

回流器蓋板直徑φ420，壁厚為2mm， 零件配合面在φ192～φ411范圍內(nèi)達(dá)到要求平面度為0.05，是典型的薄壁件，結(jié)構(gòu)異性件。

3 航空發(fā)動機(jī)材料分析

航空航天產(chǎn)業(yè)為國防工業(yè)和制造業(yè)最重要的組成部分之一，隨著現(xiàn)代飛機(jī)、航天器性能要求的不斷提高，為了減輕重量，增加機(jī)動性和增加有效載荷和航程，航空航天零件材料在不斷變革，在航空發(fā)動機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料的含量逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。而盤類零件主要是鈦合金。

3.1 鈦合金的性能特點

3.1.1 比強(qiáng)度高

鈦合金的密度僅為鋼的60%左右，但強(qiáng)度卻高于鋼，比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)金屬材料中最高的，適于做飛行器的零部件。資料介紹，自20世紀(jì)60年代中期起，美國將其81%的鈦合金用于航空工業(yè)，其中40%用于發(fā)動機(jī)構(gòu)件，36%用于飛機(jī)骨架，甚至飛機(jī)的蒙皮、緊固件及起落架等也使用鈦合金，大大提高了飛機(jī)的飛行性能。

3.1.2 熱強(qiáng)性好

往鈦合金中加入合金強(qiáng)化元素后，大大提高了鈦合金的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。如在300-350℃下，其強(qiáng)度為鋁合金強(qiáng)度的3-4倍。

3.1.3 耐蝕性好

鈦合金表面能生成致密堅固的氧化膜，故耐蝕性能比不銹鋼還好。如：在19%HCl+10mg/ lNaOH條件下使用的反應(yīng)器導(dǎo)管，不銹鋼只能用5個月，而鈦合金則可用8年之久。

3.1.4 化學(xué)活性大

鈦的化學(xué)活性大，能與空氣中的氧、氮、氫、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層或脆性層，使得脆性加大，塑性下降。

3.1.5 導(dǎo)熱性能差、彈性模量小

鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼的1/4、鋁的1/14；彈性模量為鋼的1/2，剛性差、變形大，不宜制作細(xì)長桿和薄壁件。

3.2 切削加工性特點

3.2.1 切削溫度高

鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度可比切削45號鋼時高出數(shù)百度以上。

3.2.2 彈性變形大

鈦合金的彈性模量低，加工時容易產(chǎn)生變形，使已加工表面產(chǎn)生回彈，與刀具后刀面劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損等。

3.2.3 切削應(yīng)力大

由于切屑與前刀面的接觸長度短，所以接觸面積上的切削應(yīng)力大大增加，刀尖、切削刃容易磨損。

3.2.4 加工硬化嚴(yán)重

鈦合金的化學(xué)活性大，容易與大氣中的多種元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。

3.2.5 粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重

鈦合金的化學(xué)活性大，與刀具親和力大，造成粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象和積屑瘤。

4 薄壁件變形控制技術(shù)

4.1 工藝路線的研究

經(jīng)過對回流器蓋板的零件結(jié)構(gòu)和加工難點的分析，為減小應(yīng)力變形，在粗加工和半精車后分別增加低溫消除應(yīng)力工序；為了保證最終精度，在精加工之前增加了車基準(zhǔn)工序，保證了精加工的定位精度。

4.2 裝夾方式的研究

最后兩道精車工序和車基準(zhǔn)工序是是否能夠保證最終的精度要求的關(guān)鍵，這四道工序的裝夾方式起到很重要的作用。切削鈦合金時吃刀抗力較大，故工藝系統(tǒng)需保證有足夠的剛度。由于鈦合金易變形，所以切削夾緊力不能大，特別是在某些精加工工序時，一定要掌握好零件的夾緊力度。

4.3 刀具的選擇和切削參數(shù)的研究

要想有效車削鈦合金，必須針對其切削加工特點，首先要正確選擇刀具材料的種類和牌號，再確定刀具的合理幾何參數(shù)，優(yōu)化切削用量并選用性能好的切削液及有效的澆注方式。

4.3.1 刀具的選擇

（1）正確選擇刀具材料

車削鈦合金時必須選用耐熱性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、抗粘結(jié)抗擴(kuò)散、抗氧化磨損性能好的刀具材料。

車削多選用硬質(zhì)合金刀具，以不含TiC的K類硬質(zhì)合金為宜，細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金更好。

盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，如鎢鈷類硬質(zhì)合金與鈦合金化學(xué)親和力小、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度也較高。低速下斷續(xù)切削時可選用耐沖擊的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，成形和復(fù)雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。

（2）選擇合理的刀具幾何參數(shù)

根據(jù)鈦合金塑性不大、刀-屑接觸長度較短，宜選較小前角；由于鈦合金彈性模量小，應(yīng)取較大后角，以減小摩擦，一般大于15°；為增強(qiáng)刀尖的散熱性能，主偏角宜取小些，主偏角小于45°為好。刀尖采用圓弧過渡刃以提高強(qiáng)度，避免尖角燒損和崩刃。保持刀刃鋒利，以保證排屑流暢，避免粘屑崩刃。

4.3.2 切削參數(shù)的研究

切削溫度高是切削鈦合金的顯著特點，必須優(yōu)化切削用量以降低切削溫度，其中重要的是確定最佳的切削速度。鈦合金切削速度宜低，以免切削溫度過高；進(jìn)給量適中，過大易燒刀，過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快；切削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。加工時須加冷卻液充分冷卻。

由于零件為盤類薄壁件，零件軸向剛性很弱，徑向剛性比較強(qiáng)，所以要沿著零件徑向走刀，使切削力的方向是沿著零件的徑向。

5 結(jié)束語

通過對回流器蓋板的研制，使我們對薄壁件的變形及鈦合金的機(jī)加性能有了更深的了解；對薄壁零件的特點、加工中的關(guān)鍵問題、變形的影響因素以及如何制定行之有效的控制措施，有了新的認(rèn)識。并全面驗證了工藝流程的完整性及工藝裝備的正確性；熟悉了鈦合金材料加工的各項性能及加工中的注意事項，提升了對薄壁盤類零件加工的認(rèn)識。