TC4鈦合金空氣導管精密成形加工工藝研究

邵曉寒++李昱

摘 要：航空發動機是制造工業的精華之作，其對于各組成零部件的加工精度要求極高，為滿足各零部件的加工制造，需要在分析各零部件加工特點的基礎上做好加工工藝的研究與優化，最大限度地提高航空零部件的加工質量與加工效率，確保航空發動機的高質量、高效率的生產。高壓渦輪空氣導管是航空發動機中的重要的組成部分，高壓渦輪空氣導管其材料使用的TC4鈦合金，由于材料硬度及加工精度較高從而使得高壓渦輪空氣導管的加工制造受到了極大的影響。為提高高壓渦輪空氣導管的加工質量及加工效率通過對TC4高壓渦輪空氣導管的各加工環節進行了系統性的分析，并在此基礎上通過對各環節的難點進行了優化，從而使得高壓渦輪空氣導管的精密成形加工得到了有效的提升。

關鍵詞：TC4；高壓渦輪空氣導管；精密成形加工

中圖分類號：V263 文獻標識碼：A

某型號的高壓渦輪空氣導管在加工的過程中采用的是1.3mm厚度的TC4型鈦合金板材加工而成的。此型號的高壓渦輪空氣導管在加工過程中對于零部件的圓度、直線度以及垂直度等各加工精度有著極高的要求。同時在對高壓渦輪空氣導管加工的過程中由于鈦合金材料的在材料硬度、屈服極限以及彈性極限比值等數值的比值較高致使高壓渦輪空氣導管的加工成形難度極大。為做好對于高壓渦輪空氣導管的成形加工，需要在總結高壓渦輪空氣導管加工特點的基礎上對加工工藝進行優化。

1.高壓渦輪空氣導管成形加工難點分析

1.1高壓渦輪空氣導管加工工藝分析

某型號的高壓渦輪空氣導管所使用的TC4鈦合金材料在屈服極限和彈性極限比值上都有著較高的數值，同時鈦合金材料所具有的屈強比高、變形抗力和變形回彈量大以及塑性比低等的特點都導致了高壓渦輪空氣導管的加工成形難度極大。在高壓渦輪空氣導管的加工成型過程中，為了確保高壓渦輪空氣導管一次滾彎成形則需要確保成形設備具有較小的滾彎曲率，這些數據都對加工設備的強度和剛度提出了極高的要求。

在高壓渦輪空氣導管的加工過程中由于無法實現一次成形加工，因此在高壓渦輪空氣導管的加工過程中采用了雙半圓筒形加工后焊接成形的加工工藝，而后對焊接成形的筒形導管件進行高精度的熱校成形加工以確保加工完成后的高壓渦輪空氣導管滿足各項精度尺寸要求。

1.2高壓渦輪空氣導管的加工難點

高壓渦輪空氣導管所使用的鈦合金材料本身的硬度等因素為加工帶來的困難。TC4鈦合金由于切削變形系數<1使得加工刀具在與鈦合金材料接觸的過程中摩擦阻力增大，從而使得加工刀具的使用壽命受到了極大的影響。在對鈦合金進行切削加工時所產生的高溫及切削時刀刃與鈦合金接觸時所產生的壓力容易導致切削屑與加工刀具產生咬合，從而導致嚴重粘刀現象的產生。鈦材料由于本身所具有的高活性使得其在加工過程中容易與空氣中的氧氣、氮氣、氫氣等發生化學反應，從而導致鈦合金材料表層的硬度下降，進而影響到高壓渦輪空氣導管切削加工的順利進行。

在對高壓渦輪空氣導管進行加工的過程中為了確保后續焊接加工的精度，需要在對高壓渦輪空氣導管進行切削加工時將銑加工面的平面度控制在0.05mm的誤差范圍內。此外，根據加工工藝的要求，在對高壓渦輪空氣導管進行加工時采用的是先加工成雙半圓筒形結構，而后再進行焊接，并在焊接成形后對高壓渦輪空氣導管進行精密成形加工.由于鈦合金材料的特性使得其在完成半圓筒形加工后零部件具有較大的回彈性。為確保高壓渦輪空氣導管在加工后的精度，需要在對高壓渦輪空氣導管進行銑加工時對高壓渦輪空氣導管進行全限位約束。 高壓渦輪空氣導管本身壁厚較薄，加之高壓渦輪空氣導管的長度較長從而對高壓渦輪空氣導管的裝夾提出了更高的要求。裝夾定位壓緊力較小而容易導致高壓渦輪空氣導管再加工過程中出現讓刀，而裝夾壓力較大而容易導致高壓渦輪空氣導管出現變形從而影響高壓渦輪空氣導管的加工精度。

1.3校形加工難點分析

在對高壓渦輪空氣導管進行了預加工和焊接加工后需要對高壓渦輪空氣導管進行校形加工。這是由于高壓渦輪空氣導管的壁厚較薄，其在焊接加工時，由于鈦合金在高溫下的回彈及焊接變形等因素致使高壓渦輪空氣導管的精度會出現一定的偏差，為使得高壓渦輪空氣導管滿足加工精度要求，需要對焊接后的高壓渦輪空氣導管進行精密校形加工。在對高壓渦輪空氣導管進行精密校形加工時由于受到鈦合金材料高變形抗力和變形回彈量大的特點，單一的使用冷校形加工無法滿足高壓渦輪空氣導管的加工要求。因此在對高壓渦輪空氣導管進行校形加工時需要利用鈦合金的高溫力學性能特點來對其進行加工。

2.做好高壓渦輪空氣導管加工工藝的優化

2.1在對高壓渦輪空氣導管進行預加工時加工工藝的優化

在對高壓渦輪空氣導管進行預加工時，根據鈦合金材料的特點需要選用順銑加工的加工方法，順銑加工時刀具的切削刃與所銑出的薄銑屑與刀具之間不易黏合。需要注意的是在高壓渦輪空氣導管加工時鈦合金彈性模量較小采用順銑加工時會產生一定的讓刀現象，為提高高壓渦輪空氣導管的加工精度，需要確保加工刀具具有較強的剛度.在對高壓渦輪空氣導管進行預加工時為確保高壓渦輪空氣導管的加工精度通過試驗確定了相應的加工參數：刀具的切削速度控制在30m/min，加工進給量為0.005mm，背吃刀量為0.5mm。在對高壓渦輪空氣導管進行加工過程需要對高壓渦輪空氣導管進行良好的裝夾：首先使得高壓渦輪空氣導管能夠處于限位約束狀態，而后在裝夾完成后零件和工裝整體需要具有足夠的剛度，為實現這一目標在設計工裝時工裝需要采用厚實的底座加型塊的結構設計。確保高壓渦輪空氣導管在裝夾定位后導管沿長度方向能夠均勻緊密的貼合在整個型塊的型面上，使其能夠完全滿足焊接對接接頭加寬邊銑加工的精度要求。同時整個工裝能夠快速地完成裝配和翻邊加工，有效地提高了高壓渦輪空氣導管的加工效率。

2.2做好高壓渦輪空氣導管校形加工工藝的優化

在使用高溫熱校形加工時，首先需要對TC4鈦合金進行不同溫度下的應力松弛性能測試，用以測試鈦合金在各個不同溫度受力變形情況。借助彎曲理論和松弛理論需要對高壓渦輪空氣導管的校形回彈量和應力松弛校形后的回彈量進行計算，從而確定出在何種溫度下對高壓渦輪空氣導管進行精密校形加工。通過大量的試驗后表明在對D=128.4mm的高壓渦輪空氣導管進行高溫精密校形加工時需要在保溫溫度為650℃保溫時間>17min的時間內對其進行加工。同時在高溫校形加工時需要對校形模具進行優化，并在對校形模具進行設計時需要注意考慮溫度對其所造成的熱膨脹影響。在對于高壓渦輪空氣導管加工毛坯件的選取上，根據高壓渦輪空氣導管的加工圖紙要求，在毛坯件的選取上選擇的是厚度為1.3mm的TC4鈦合金板材滾彎后焊接而成的筒形件，考慮到后續的熱校形加工的需求，在毛坯件內徑的選取上選定的是D=128mm。

結語

高壓渦輪空氣導管是一種薄壁、高精度的航空零部件，在高壓渦輪空氣導管的加工過程中通過結合高壓渦輪空氣導管所使用的材料的特點，通過對高壓渦輪空氣導管的加工工藝進行優化實現了對于高壓渦輪空氣導管的高精度成形加工。在確保高壓渦輪空氣導管加工精度的基礎上提高了高壓渦輪空氣導管的加工效率。

參考文獻

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