衛星推進系統用加熱發動機TZM合金殼體的車削工藝

耿旭亮，龐學豐，趙鑫宇

天津航天機電設備研究所 天津 300458

1 序言

針對目前多項衛星控制推進類產品的加工制造任務，面對多種難加工材料產品的加工制造難題，需要總結出一套試制方案及工藝措施。TZM合金是控制推進類產品中最先使用的難加工材料，用它制造的殼體能承受1400℃高溫，長期工作溫度在1000℃以上。衛星推進系統用加熱發動機噴嘴通過高頻真空焊接在殼體內，因此其加工精度直接影響到發動機噴嘴的位置精度和發動機的工作性能。通過分析TZM合金材料的特性，比對加工刀具材料的性能，解決了該零件的加工難點，順利完成了該產品的加工任務。

2 零件加工特性分析

2.1 零件材料分析

TZM合金成分為wTi0.5%、wzr0.08%和wC0.02%，通過粉末燒結、鍛造等一系列工藝加工而成，其切削過程易出現崩碎和開裂。TZM合金與45鋼物理性能比較見表1。

表1 TZM合金與45鋼物理性能比較

通過表1得知，與易切削鋼——45鋼相比，TZM合金在加工上有以下特點：①材料表面氧化層硬度高，使得切削過程中的切削抗力增大，切削過程易振動，刀具易崩刃破損。②材料元素化學活性大，親和力強，在切削過程中易產生切屑粘結，使刀具磨損加快。③該合金是脆性材料，切削時切屑呈崩碎狀，且材料硬度較高，刀具磨損嚴重。④彈性模量大，切削變形消耗的功多。⑤選取合理的切削參數對保證零件加工質量及提高刀具壽命可以起到關鍵作用[1，2]。

2.2 零件結構分析

殼體結構如圖1所示。該零件加工工藝路線可按常規思路進行編排，但結合零件材料特性，在加工過程中應進行工藝改進和優化。零件內孔M16×1mm內螺紋長度較深，標準刀具無法加工，需要定制刀具進行加工。為保證產品精度，需要在加工中創新思路，提出有效的解決方案。

圖1 殼體結構

3 零件切削工藝試驗

3.1 刀具的選用和定型

根據TZM合金的特性，結合以往的加工經驗，選用YG類硬質合金刀具進行試切加工。YG類硬質合金刀具耐磨性好，抗沖擊韌性高，由于材料內不含Ti元素，因此避免了與零件材料產生親和作用。YG類硬質合金牌號和性能見表2。

表2 YG類硬質合金牌號和性能

（1）通用硬質合金試切加工 最初選用YG類硬質合金進行加工，為提高刀具壽命，減小切削力，刀具前角為1°～3°，為了減小后刀面與零件各表面間的摩擦力，在不降低刀具剛性的前提下，主后角選4°～6°，刀尖圓弧半徑0.2mm。在切削過程中，選取線速度20m/min，粗加工0.2mm，進給量0.12mm/r，加注切削液進行冷卻。當材料去除不到20%時，切削狀況已發生變化，刀尖嚴重磨損，零件已加工表面出現擠壓拉毛現象，不能正常切削。經查閱相關資料，重新選取YG3X牌號硬質合金進行加工，YG3X屬于細晶粒硬質合金，是YG類合金中耐磨性最高的一種，適合于鑄鐵、有色金屬及其合金的精加工，也適用于淬硬鋼及鎢鉬材料的精加工[3]。在使用YG3X刀片進行切削時，與YG8刀片采用相同的刀具角度及切削參數，加工過程平穩。粗加工外形后，刀片正常，精加工完成后，零件尺寸與對刀時測量尺寸一致，符合加工要求，表面粗糙度值達到Ra=3.2μm。但是第二件零件粗加工完成后，零件外形尺寸比首件尺寸大0.03mm，并且發現刀尖略有磨損，由此可知車刀耐用度不足，整批生產會使零件尺寸不穩定，生產質量不易保證。

（2）涂層硬質合金試切加工 為使零件尺寸可控，改用涂層硬質合金刀具進行試切試驗。涂層有兩種方式，分別是化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。我們選用了CVD工藝處理，使用TiC-Al2O3涂層刀片進行車削，該涂層有較高的抗磨料磨損性能，可以像陶瓷刀一樣高速切削。在加工過程中選用與YG8刀片相同的切削參數，加工兩件零件后，產品尺寸穩定，刀具未出現磨損。為提高生產效率，并檢驗刀具壽命，將切削速度提高至40m/min，切削過程平穩，切屑排出略有不暢。分析認為，這種現象與切削液的使用有一定關聯，因為在加工時切削速度屬中低速，所以切削熱并不嚴重，排屑不暢造成零件已加工表面有斷續拉毛情況。但刀具各表面及刀尖狀況良好，無磨損現象。于是更換極壓切削液進行冷卻潤滑，更換后排屑不暢現象不再發生，零件表面粗糙度符合設計要求，由此確定可使用該刀片進行加工。

3.2 零件加工工藝

（1） 改變切削方式，減小切削抗力 通過表3可以看出，TZM合金切削層單位面積切削力比工具鋼T10A的數值還大。最初零件中段φ18mm長凹槽部位，采用G75切槽循環指令、2mm寬切槽刀先加工右端至要求尺寸，然后換外圓車刀加工左端至要求尺寸，如圖2所示。此時，由于該材料切削層單位面積的切削力較大，在使用切槽刀切槽時，切削刃與零件接觸寬度為2mm，切削刃負荷大，使得切槽刀磨損嚴重，切削狀況極其惡劣，造成切槽刀未完成一個切削循環時，兩刀尖和主后刀面就已磨損、崩尖，無法繼續切削。經過分析試驗，改用55°菱形刀片，編制25°斜進刀角度，使用外圓車削循環，加工左端至要求尺寸，然后換反偏刀，將右端部位加工至要求尺寸，如圖3所示。使用偏刀切削時每次背吃刀量為1mm，相比切槽刀與零件的接觸面積減小，降低了切削負荷，且偏刀的剛性比切槽刀大大增強。因此切削過程平穩，零件尺寸控制精確。這種加工寬凹槽的方式，適用于加工各類單位面積切削抗力較大的難加工材料。

表3 常用金屬材料性能及切削層單位面積切削力

圖2 零件中段φ18mm長凹槽部位初始加工示意

圖3 零件中段φ18mm長凹槽部位改進加工示意

（2）螺紋出入口處牙形崩牙、鋸齒問題的解決方案 零件內螺紋M16×1mm的正常加工方式是：鏜螺紋底孔至尺寸→切退刀槽→螺紋兩端倒角→車螺紋。此加工順序可使螺紋入口和出口處毛刺朝牙外側翻出，避免了車削完螺紋再倒角而將毛刺擠入螺旋槽內，造成螺旋槽內毛刺不易清除干凈，影響螺紋配合精度。

TZM合金屬于燒結制品，材料脆性高，在加工螺紋時，螺紋入口和收口起刀處至一個導程距離段內為不完整牙形。該段牙形極為尖銳，牙形頂部呈現鋸齒狀，在外螺紋旋接時，此處受力易使零件崩碎掉渣，從而產生多余物，影響整個噴管部位的安全和性能。為避免這種現象，經過多次試切試驗，改變加工順序為：車螺紋底孔→車螺紋→切退刀槽→倒角。按照這種加工方式，使用成形刀切出倒角，這樣擠入螺旋槽內的毛刺較薄，同時牙頂崩碎現象減少。螺紋加工完成后，使用自制內螺紋牙形刮刀手工去除出入口部位的毛刺，并將該部位牙頂的鋸齒刮平修光，最終使加工出的螺紋滿足設計要求。

（3）改制刀具適應螺紋加工要求 該零件M16×1mm內螺紋深度為52mm，現有內螺紋車刀為標準長度，但刀桿粗，需將刀桿磨細才能進入底孔。由于直徑符合要求的刀桿較短，螺紋有效長度不能保證，但如果訂制刀具，交付周期為20天以上，嚴重影響產品節點要求。為此，根據現有刀具，選用長徑比符合條件的內溝槽車刀（見圖4）進行改制，使用金剛石砂輪將內溝槽刀片磨制成60°螺紋刀形狀進行螺紋加工，并把內溝槽刀桿后端干涉部位磨去，如圖5所示。改制后的刀具，適應了加工需求，保證了產品的生產節點。

圖4 標準內溝槽刀

圖5 改制內螺紋刀

4 結束語

TZM合金外殼的加工主要是選用最適合的刀具材料，而如何選用則需要對材料特性進行仔細的分析，對硬質合金及各類切削材料的性能有深入的了解，并通過試切比對不同刀具材料配合相應切削參數，選出最適用的刀具牌號和切削參數。加工過程工藝路線的優化，也為該零件的加工提供了保證。

通過TZM合金的加工范例，拓寬了加工思路，掌握了試切方法。我所在以上加工經驗的基礎上，陸續完成了鈮鎢合金、鎢錸合金等難加工材料的試制加工和定型生產。