某外涵承力環表面質量提升技術研究

王 威 郭春艷 吳鐵石 鄧連興

（1．海軍駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2．中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

鈦合金材料具有高強度重量比、耐腐蝕和耐熱性強等特點，是航空發動機的普遍通用的金屬材料之一[1]。隨著加工技術的不斷精進，對零件的精品工程的要求越來越精準、具體，要求零件加工達到高質量、高效率的目標[2]。而目前零件數控加工后，螺紋正反面倒角、孔背面的反劃窩、型面銑加工的接刀痕、型面銑加工產生的各種不規則銳邊等需要通過鉗工修整去除。為了更好地實現精品加工，需要從數控編程、加工刀具、在線測量等多角度開展研究，解決加工中的表面問題。該文以外涵承力環為研究對象，介紹了一種提升鈦合金易變形零件表面質量的新型加工技術。

1 零件結構特點

外涵承力環是發動機上主要的承力部件，零件尺寸φ1056mm×φ1000mm×78mm，壁厚（2±0.1）mm，材料為雙性能鈦合金，屬于典型的薄壁整體環形件。

外涵承力環材料主要為鈦合金TC4，鈦合金TC4 材料組成為Ti-6Al-4V，屬于（a+b）型鈦合金，具有良好的綜合力學機械性能。國外先進的航空發動機普遍采用鈦合金作為壓氣機機匣、葉片、葉盤及風扇涵道、燃燒室殼體等部件的材料，鈦合金的用量占發動機總重的1/4 以上。

鈦合金材料的主要特點有5 個：1）比強度高，TC4 的強度sb=1 012 MPa，密度g=4.4×103kg/m3，比強度sbg=23.5（合金鋼比強度一般小于18）。2）耐腐蝕好，無論是在潮濕的空氣或者在海水中，耐腐蝕性比不銹鋼等材料強，對氯化物及堿類、酸類物品均有一定的抗腐蝕能力，但對還原性氧及鉻鹽介質抗腐蝕性差。3）化學活性大，與大氣中的氧氣、氮氣、氫氣、二氧化碳、水蒸氣等產生強烈的化學反應，TC4 表面硬度不高，HRC=30，但是加工時的熱量會使材料表面被氧化、氮化和碳化，會形成一氧化鈦、三氧化鈦、碳化鈦、氮化鈦的混合表皮，該混合表皮硬度較高。4）低溫性能好，在低溫下仍保持力學性能，在氣候溫度很低的惡劣天氣下工作的航空發動機，鈦合金材料仍能很好地保證其使用性能。5）此外鈦合金還有熱強度高、彈性模量小、導熱性差等特點。

TC4 在所有鈦合金種類中是應用最為廣泛的。國內外對鈦合金切削進行了很多研究，在機械加工領域中，刀具和TC4 的強化學親和性使刀具很容易失效，剪切力的突變性導致切削力急劇變化，刀具損耗增加。

2 研究內容

以外涵承力環零件為載體，對零件的工藝文件編制、數控程序編制、零件變形補償、高效加工和異型刀具使用等方面進行研究與優化。

3 技術方案

3.1 現狀調查

外涵承力環年長量大，零件最終交付之前需要經過大量拋修工作，隨著精品工程的不斷推進，在零件的表面質量方面的要求也在不斷提升，取消鉗工拋修是勢在必行的方向。目前零件無這方面的加工經驗，可以借鑒的經驗也非常少。因此，基于零件目前的加工現狀，針對零件加工中鉗工拋修的環節重新制定加工方案，組織技術攻關。

3.1.1 現場統計

經現場調查，零件加工涉及的鉗工加工共372 處，總計拋修時間為355 min，主要體現在粗銑加工不規則存在銳邊毛刺，后安裝邊背面劃窩需要鉗工干預，內型面大孔倒角需要由鉗工進行操作，車銑之間接刀痕需要鉗工跑修，月牙槽上下邊存在毛刺等。外涵承力環零件鉗工的拋修量極大，需要通過技術研究解決鉗工拋修的問題。

3.1.2 現狀分析

對鉗工拋修的位置及拋修的原因進行歸類，為后續尋找解決方案做準備。經分析，可將零件的拋修原因分為工藝文件編制不具體、數控程序編制不完善、零件變形滿足不了加工要求、鉗工加工比較方便快捷、缺少機床加工的刀具等5 個部分。

3.2 加工方案優化

3.2.1 完善工藝文件編制

針對工藝規程中沒有具體要求，或沒有明確提交檢驗員檢查要求的尺寸特性，更改工藝規程，明確倒角的具體位置及數值大小，并且增加檢驗員檢查的要求。

在工藝規程中有具體要求，例如工序中明確孔邊倒角大小，但是倒角尺寸沒有提交檢驗員檢查的要求，造成倒角未加工到位的情況不能被及時發現。針對此類問題，需要更改工藝規程，增加提交檢驗員檢查的要求。

3.2.2 完善數控文件編制

按照以往的加工習慣，車加工銳邊、銑加工銳邊毛刺及孔邊設計圖無倒角要求的銳邊毛刺通常由鉗工打磨解決，數控程序編制中缺少這方面的數控程序。針對目前現狀，在數控車加工、銑加工及鉆孔工序安排倒角加工工步。

編制孔邊倒角、銳邊倒圓滑及車銑加工接刀痕的數控程序，并引入高速切削的概念編制數控程序，盡量減少占用機床的時間。 高速切削理念源于20 世紀30 年代初，在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高會升高，但是切削速度達到一定值以后，切削溫度不僅不會升高而且會降低，且該切削速度值與工件材料的種類有關。保證零件在高速區工作，可以使用現有刀具進行高速切削，切削溫度與常規切削基本相同，從而可以大幅度提高生產效率。

3.2.3 設備在線測量功能的開發與應用

針對零件的微小變形對細微尺寸加工質量的影響，開發設備的在線測量功能，加工前編制在線測量的數控程序，提取微小的變形數據補償到數控加工程序中，抵消加工中變形量，避免人工操作的隱患。

對于新型設備，直接利用設備的在線測量功能，進行數控加工中的變形補償；對于現場老設備，自行開發設備的在線測量功能，應用到表面質量提升的數控加工中。

原孔邊正反銳邊毛刺均采用鉗工手動拋修的形式去除，加工質量不穩定。現編制銑加工輪廓數控程序，機床上鉆孔后直接倒角去毛刺，并采用在線測量技術，保證了微小余量加工質量的可靠性。

階梯孔邊0.2 mm倒角必須利用在線測量技術才能保證孔邊倒角均勻。

3.2.4 特殊刀具的選擇

孔邊毛刺的問題，針對不同孔徑系列值范圍，采購不同系列的倒角刀具。

銑加工產生的銳邊毛刺，采用現有的球刀或者錐形球刀，應用數控程序即可加工保證。

內型面大型孔的孔邊倒角，采用數控曲面反倒角刀加工。

數控加工倒角后仍存留的微小毛刺，外購孔徑相近的金屬毛刷進行機床上去除。

螺紋銑刀刃長不足的問題，重新外購刀具解決。

4 技術方案現場驗證

4.1 新型夾具的應用，減小零件的微量變形

引用新型液壓夾具的概念，使用液壓夾具定位壓緊零件。液壓夾具對內型面進行精準定位（夾具圖如圖1 所示）：在對大型夾具成功減重的基礎上，控制了零件加工的微量變形，實現了工件自動夾緊和快速裝夾，整體加工效率提高了1%，同時避免了加工中各種接刀痕的產生，有效地改善了加工質量。

4.2 高效加工數控程序現場應用

針對安裝邊位置接刀痕，通過數控程序優化，改變了進退刀的加工順序，減小了進刀時接觸安裝邊產生的讓刀現象。原接刀痕的進刀過程改為切削結束的出刀過程后，零件加工產生的接刀痕接近于無，只存在于視覺上實際測量小于等于0.01 mm 的效果。改進后經現場驗證接刀痕小于0.01 mm，不需拋修，節省拋修時間15 min。

圖1 新型夾具圖

針對外型面銑加工接刀痕，通過引用參數編程及實體延伸技術控制接刀痕。如圖2 所示，利用系統參數，每一處型面單獨定義一個變量，用于定義每一處型面的變形量，補償到每一處型面的加工程序中。 利用在線測量技術，測量每一處型面的變形量，補償到數控加工程序中。

現利用實體延伸技術，實現了曲面清根過程刀具始終垂直加工底面，完美地消除了曲面加工的不同刀具之間的接刀痕現象。

改進后外型面無接刀痕。外型面的開闊區域與安裝邊的轉接區域實現無痕跡加工，從本質上解決了不同刀具、不同切削方向的加工變形產生的接刀痕問題。節省拋修時間25 min。

4.3 新型、異型刀具的應用

4.3.1 利用庫存異型刀具，解決異型曲面的倒角/銳邊加工

利用改磨后的庫存異型倒角刀具，數控加工月牙槽上下兩邊銳邊，完整去除毛刺。同時應用在線測量技術，抵消零件變形量，提高曲面細微加工余量的加工質量。改進后毛刺在月牙槽可完整去除。

錐球刀具，去除外型曲面銳邊毛刺。外型曲面銳邊達147 處，而且局部銳邊加工區域狹小，使用Φ4 錐球銑刀加工比較完善。改進后鉗工拋修時間減少70 min。

凹型曲面內部的斜孔的反倒角，原采用鉗工手動倒角，由于倒角部位本身余量不均衡，保證加工質量有一定的難度。現采用跟蹤式參數編程的方法，保證零件余量去除均勻。螺紋孔邊毛刺的產生原因為原加工方法加工的倒角較小，導致銑加工螺紋后毛刺去除不干凈。現增加螺紋孔邊倒角，解決了孔邊毛刺問題。

圖2 參數編程示意圖

利用在線測量功能有效地抵消了零件自身的變形量，從而保證了加工質量。

4.3.2 采用新型刀具，解決超長螺紋加工問題

零件徑向的加長螺紋正常M6螺紋銑刀刃長13.5 mmmax，現加工M6 螺紋長度17.2 mmmin，銑加工螺紋后需要鉗工繼續攻螺紋合格。

應用新型刀具機攻螺紋，改用機攻螺紋后，不僅解決了螺紋銑刀刃長的問題，而且一次性加工合格，同時解決了螺紋銑刀磨損后反復銑螺紋的問題。 改機攻后一次加工合格，機加時間無變化，節省攻絲時間20 min，改進后刀具及加工后效果示意圖如圖3 所示。

4.4 在線測量技術在易變形零件中的應用

圖3 新型刀具及加工效果示意圖

零件表面質量的加工屬于微量加工范疇，零件的微小變化均會影響零件表面的加工質量，而目前航空航天領域的零件加工絕大多數屬于薄壁易變形零件，這就在很大程度上增加了表面質量的加工難度。現開發加工設備的在線測量功能，加工前隨零件形狀編制在線測量的數控程序，提取微小的變形數據補償到數控加工程序中，抵消加工中變形量，從而保證了微量加工的加工質量。

5 結語

采用新加工技術加工的外涵承力環，成果包括4 個方面：1）由于去除微小毛刺加工的余量也非常小，通常只有0.2 mm，因此，必須考慮零件的變形量對此加工的影響。在線測量技術在這種加工中的作用非常突出。利用機床在線測量功能，監測零件加工區域的變形數據，利用機床參數庫功能，即時補償到所加工的數控程序中，實現柔性化，能保證整個型面0.2 mm 余量加工的均勻性。2）在大型零件的清根過程中，當同時存在側面和底面的切削，在數控程序編制中，注意測量刀具主軸與切削底面的垂直情況，避免因數控程序導致加工區域出現接刀痕。3）充分利用機床參數庫，編制數控加工的參數程序，可以有效地避免零件加工中的微量變形對零件表面質量產生的影響，加工程序中通過參數調用，有效地去除接刀痕。4）對于大型薄壁零件，液壓夾具的使用能非常有效地解決由于強度問題引起的零件變形。同時，因漲緊后強度非常高，加工效率提高了1%。因此，建議大型薄壁零件盡可能使用液壓夾具。

針對鈦合金零件，研制出了新的制造技術。經實踐證明，此加工技術適用于航空發動機整體機匣、對開機匣等環形易變形零件的加工過程中，是對機匣加工技術的拓展和創新。