航空鈦合金噴嘴零件加工工藝方案設計

摘要：噴嘴零件為薄壁零件，為滿足其使用特性，充分考慮鈦合金材料的加工特性，并保證零件薄壁部分的加工變形在公差范圍內，設計了符合企業經濟性要求的加工工藝方案，選擇合適的刀具和切削參數，加工出滿足精度要求的零件。

關鍵詞：鈦合金;薄壁;工藝方案;切削參數

一、零件描述

噴嘴零件為飛機油路中的部件，工作時噴嘴空腔中有液壓油流過，噴嘴需承受液壓油的壓力，零件在高溫、高壓的環境下工作時需長期保證其工作特性，保證與其它零件聯接時的氣密性。為保證零件工作時的強度、剛度并減輕零件的重量角度考慮，采用鈦合金TC2作為零件材質。零件的形式如圖1所示。

二、精度要求

零件圖如圖2所示：

噴嘴零件的加工部位分為兩個區域，一為在主視圖中右側的薄壁筒，從圖中可知，該部位最大直徑處為Ф56mm，壁厚為1.5mm其零件壁厚與輪廓直徑比值為37，為典型薄壁零件，此類零件在加工中對各種影響因素十分敏感， 極易產生變形， 很難滿足精度要求， 嚴重影響產品質量， 是噴嘴零件加工時重要考慮的問題。另一個主要加工部位為主視圖左側的噴嘴接口部分，此部分徑向尺寸較大，軸向尺寸相對較小，可看做盤類零件加工，從圖中可看出，此處需加工尺寸較多，且加工部位多分布在薄壁筒上，易在加工過程中造成零件變形。

從整體來看，噴嘴零件加工精度要求不高，主要難點集中在各薄壁部位的加工。

三、加工工藝方案設計

1、加工機床的選定

鈦合金具有強度高、導熱性差的特點。為了提高切削加工效率，要相應提高各切削參數的值，即加大進給量和切削深度，但這樣做的后果是會增大切削力，從而導致工件和刀具之間產生靜態偏差，造成零件的形狀精度下降或加工過程不穩定的結果，同時也會加快刀具的磨損。因此，鈦合金加工所應用的機床必須具備大功率的特性及較高的靜、動剛度。

鈦合金的切削加工屬于強力切削，所以機床主軸的驅動功率要大，以實現大功率強力切削。在航空工業中，對鈦合金構件進行機械加工時，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤滑裝置，配合使用相應的高壓冷卻潤滑設備，使大量高壓冷卻潤滑劑直接噴射在刀具切削刃上，以確保在大扭矩、低轉速加工情況下能夠及時清除切屑，以減少加工過程刀具的磨損及傳遞給刀具的熱量。這樣，一方面冷卻刀具，另一方面可更好地及時把切屑沖出加工區，以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命，劃傷已加工面。

總之，加工鈦合金的機床應該具備大功率、高的動、靜剛度的特性，并配有大流量高壓冷卻裝置，并且還要抗振性好。

由零件分析可知，噴嘴零件的整體加工精度要求不高，噴嘴一端有一流線形收口，另一端尺寸相對集中，有槽、螺紋等結構，且尺寸較小，從形狀來看，是回轉體零件，應屬于筒型零件的加工范疇。結合零件尺寸及結構特點，可確定其主要加工機床為數控車床，并配以銑床進行輔助加工，即可滿足零件要求。根據前面分析的切削鈦合金零件時機床應具備的特性，并結合現場生產條件，最終確定使用數控系統為FANUC 0i Mate-TC的CAK6150Dj數控車床進行零件加工。該車床為成能型加工車床，可進行多次重復循環加工，特別適合于汽車、石油機械、軍工等多種行業的機械加工，主要用于軸類、盤類的精加工和半精加工，可以加工內、外圓柱表面、錐面、車削螺紋、鏜孔、鉸孔以及各種曲線回轉體。

2、定位與夾緊

噴嘴零件為薄壁件，設計定位及夾緊機構時，最應關注的問題是：由于零件的結構特性，剛度較差，采用何種定位方式，能保證加工時不產生變形;對工件進行夾緊時，夾緊機構既要能提供足夠的夾緊力，又不使零件變形及夾緊傷;這是本零件加工的難點之一。

合理的定位與夾緊是保證零件加工精度的重要措施之一。噴嘴零件為薄壁筒型件，零件外形規則，以軸線為對稱，依據此類零件的結構特點，定位時多采用零件的外圓柱面及內孔作為定位基準，定位元件一般采用三爪卡盤、心軸并配合頂尖使用，心軸又因零件不同，可采用不同的形式。

3、確定工藝基準

（1）確定粗基準

根據噴嘴零件結構特點確定粗基準。噴嘴零件毛坯為鈦合金棒料，外形規則，且加工完成的零件也為較規整的回轉體零件，所以選擇棒料的外圓柱面作為零件加工的粗基準。

（2）確定精基準

噴嘴零件為回轉體零件，所以在大多數加工工序中以回轉體的外圓柱表面做為精基準，采用的是基準統一原則;同時定位基準與零件的設計基準相同，應用的是基準重合原則;在外形及內孔交替加工的過程中應用了互為基準原則。靈活選擇零件加工精基準對保證零件的加工精度及夾具的選擇及設計都起著重要作用，所以在確定零件加工基準時，不僅要關注零件本身的結構特點，也要考慮企業的現場加工條件，以最經濟的方法完成零件的加工。

4、噴嘴零件加工工藝路線設計（如表1）

5、刀具的選擇

在企業中，ISCAR已擁有一系列解決鈦合金，高溫合金難加工的方案，針對鎳基合金、高溫合金、鈦合金研發了專用系列刀片。ISCAR系列刀具采用超細基體的TiAIN PVD涂層來加工鈦合金、高溫合金。PVD所帶來的薄的、光滑的涂層表面，與基體之間強的粘附力，提高了刀具抗剝落、抗月牙洼的能力。因而，PVD涂層令刀片具有更好的耐磨性，化學穩定性，抗積屑瘤的性能。

在企業中，各生產廠已經根據自已生產條件，全部及部分的開始使用ISCAR各系統的刀具及相關附件。

通過查閱ISCAR刀具說明書，確定噴嘴零件加工的刀具方案。

（1）粗加工

選擇LNMX 150608R/L-HM型刀片切削該噴嘴零件。

HM型斷屑槽為新型斷屑槽，適用于加工粘性被加工材料。

該型刀片切削鈦合金零件時切削速度范圍為Vc=30-40m/min，進給范圍：f =0.10mm/r-0.50 mm/r，切深范圍：ap=1.0-6.0 mm，端面最大切深：ap=3.8 mm。

根據刀片類型選擇刀桿型號：

粗車外形時刀桿規格為SLFNR/L 2525M-15 TANG，刀桿形式如圖3所示。

粗加工內形時刀桿規格為S50U SLANR/L-15 TANG，刀桿形式如圖4所示。

（2）半精加工

選擇WNMG 06T304-TF型刀片切削該噴嘴零件。

TF斷屑槽：正前角-有效防止加工硬化現象的產生，增強型切削刃-有效避免刀片的崩刃，適用于加工碳素鋼、合金鋼、不銹鋼以及高溫合金。

TF型斷屑槽刀片切削鈦合金零件時切削速度為切削速度范圍為Vc=44-55m/min，進給范圍：f =0.12mm/r-0.35 mm/r，切深范圍：ap=1.0-3.0 mm。

根據刀片類型選擇刀桿型號：

半精車外形時刀桿規格為MWLNR/L 2525M-06W，刀桿形式如圖5所示。

半精車內形時刀桿規格為S32U MWLNR/L-06W，刀桿形式如圖6所示。

（3）精加工

選擇WNMG 06T302-NF型刀片切削該噴嘴零件。

NF斷屑槽：雙面斷屑槽，鋒利的切削刃、正前角設計，具有切削力低的特點，適用于精加工、半精加工。

NF型斷屑槽刀片切削鈦合金零件時切削速度為切削速度范圍為Vc=50-70m/min，進給范圍：f =0.08mm/r-0.20 mm/r，切深范圍：ap=0.3-1.5 mm。

根據刀片類型選擇刀桿型號：

精車外形時刀桿規格為MWLNR/L 2525M-06W，刀桿形式如圖5所示。

精車內形時刀桿規格為S32U MWLNR/L-06W，刀桿形式如圖6所示。

根據以上說明可知半精加工和精加工所選擇的刀片的形式相似，區別只在于斷屑槽的形式不同及刀尖圓角直徑不同-半精加工時為0.4mm，精加工時為0.2mm。所以對于形狀及尺寸精度要求不高的零件可以省略半精加工階段，直接通過精加工獲得所需要的零件。

6、加工驗證

確定了噴嘴零件加工的各工藝要素，在企業中按照所設計的工藝方案對噴嘴零件進行了加工，并取得了良好的加工效果。雖然噴嘴零件的材料為難加工的鈦合金TC2，但整體加工精度要求不高， 采用了較經濟的CAK6150Dj數控車床進行零件的整體加工，降低了加工成本。在加工過程中通過選擇合適的定位基準、安排合理的加工工序使加工過程簡化，盡量多的使用了通用夾具及刀具保證零件的加工精度，縮短了零件的加工周期。

在企業實際加工時，選擇Ф105鈦合金TC2棒料作為毛坯，采用車床三爪卡首輪進行裝夾，粗加工后，為避免夾傷工件及準確定心夾緊，采用護圈及開口胎進行裝夾，車噴嘴端頭處外圓及螺紋，粗、精車內輪廓，以內輪廓定位加工外輪廓，采用專用夾具裝夾工件，車削加工時采用一夾一頂方式，車削完成后，在普通立銑床上應用分度頭銑削四個槽，以此工序后，完成零件全部加工過程。

實際加工中，每批零件要求的數量大約為3～5個，采用小批量生產的模式，可以在3～5天時間內完成加工，平均效率為每天完成一件，在保證各項質量要求的情況下，滿足加工周期的要求。

中圖分類號：TH162

作者簡介：李雅娜（1978-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士，研究方向：數控加工技術;籍貫：遼寧鞍山。