潘玉良 李炎臻 朱麒元

摘 要：在现代航空业，金属钛作为一种新型的最为不可或缺的金属元素备受航空从业者的关注。钛高温合金在真空的条件下熔炼主要是金属元素钛为基础的合金材料，而且钛高温合金的制造过程也是相当的复杂，期间采用了各种工艺进行了加工强化，只有这样才能使钛合金材料的热强度性、热稳定性能极高，并且能适应飞机飞行中发动机因高速运行所产生的至少在800℃以上的高温环境。

钛合金材料的优点使其为航空制造业所青睐，但是同时也给加工制造航空发动机的行业带来相当大的难度。由于钛合金材料在实际加工过程中一般采用高转速、大进给、小切深的加工技术，但是我国加工钛合金材料的加工工艺不成熟。加工时零件对刀具的冲击非常大，对刀具性能、加工效率、零件性能都造成了很大的影响，极其容易造成刀具的崩刃，甚至导致零件报废。本文主要对于现阶段某钛合金零件车铣加工工艺的优化进行研究。

关键词：钛合金；复合加工；零件

中图分类号：TG50 文献标志码：A

0 引言

航空飞机制造业主要经历了大约100多年的发展历史，随着科技的进步，制造技术的不断提高，从 “活塞动力”-螺旋桨动力系统逐步走向“喷气动力”-燃气涡轮发动机的新阶段。喷气动力发动机很好地适用于军用航空领域和民用市场需求。

航空制造业作为一个高投入、周期长、风险高的国家战略型的高科技产业代表着一个国家的综合国力。航空制造业中军用飞机领域不光是军需市场需求大，而且对国家军事安全有着重大影响；民用飞机领域则是航空运输的关键环节，是推进社会经济发展、全球一体化进程的巨大动力。航空制造业可以说是新时代军民融合，推动社会进步的典型行业。

世界上航空制造领域最为先进的国家是老牌欧美国家，其起步早，基础科研领域相对成熟，科研实力雄厚。其中，民用飞机领域最具代表的公司有波音公司和道格拉斯公司，可以说已经取得喷漆干线科技领域的绝对领导地位。英、法、德在20世纪中后期在航空制造领域开展了广泛的跨国项目合作，最为著名的合作项目是“协和”超声速客机及“奥林帕斯”发动机以及到后来成立了空中客车公司，与美国波音公司并列为世界干线科技两大巨头。近代崛起的亚洲四小龙之一的日本民用飞机制造水平极高，是世界上最主要的先进民用客机大部件研制生产国，已经成功研制新型喷气式运输机。

在当代中国，航空发动机制造业是现代航空制造业的支柱产业，同时也是中国国防科技力量的重要一环，从而备受广大科研工作者的重视。在航空飞机研究领域中，由于航空发动机工作环境和安全性能等原因，因此对发动机上的部件的制造材料性能如比强度、热稳定性能、热强性和耐腐蚀等条件要求苛刻。而钛合金材料在这些性能上面表现出色，被广泛地应用于制造航空发动机外壳、喷管、航天飞机机身、机翼等关键部位。例如，著名的阿波罗登月飞机的主要制造材料就是钛合金材料。但是现阶段国内在钛合金材料领域内机械加工水平整体不高，毛料一致性不好，在高速切削加工过程中，极易发生变形，所以在精加工阶段由于精度、变形、冷却等因素的限制仍多采用传统的低速切削。

1 加工夹具，刀具选择

风扇后轴颈零件主要在典型的四代航空飞机发动机工作中起到承力和传扭作用的轴向连接结构。由于该零件是四代航空飞机发动机的关键部位，出于安全等方面，所以对零件加工后精度要求较高。但是现阶段国内生产的传统车床、铣床无法满足其高精度的加工需求，只能使用进口专用高精度机床进行加工。与机械加工机床面对相同的问题是加工过程中所使用的夹具。夹具不光起到固定、装夹零件的作用，而且直接影响机床加工系统的刚性和精度。

该零件在粗加工时，由于毛坯相对于最终产品的加工余量一般相对较大，采用四爪卡盘或者三爪卡盘在机床上固定零件（这里主要四爪或者三爪卡盘的选择取决于机床）一般能够满足切削系统的刚性要求。但是，到精车及钻、铣、孔阶段，通用的四爪卡盘或者三爪卡盘装夹零件，极易发生变形、跑偏，不能满足零件的精度要求，需要使用专用的压紧类工装。

其次，风扇后轴颈零件主要材料钛合金虽然热稳定性好、热强度高，但是导热性相对于其他高温合金较为差，韧性却相对较好，这使得在机械加工过程中，刀尖的温度相对较高，磨损相对较为严重，相当影响刀具的使用寿命，精度。

综上所述，为保证风扇后轴颈零件各高精度尺寸合格加工，在精加工阶段需要保证系统具备足够的刚度。机床和刀具的刚度足以保证加工刚度要求，而加工时采用小切削参数以降低切削力，采用多个压紧点压紧零件刚性相对更好的实体表面是解决零件自身刚度差及装夹刚度差的关键方法。

2 车铣复合加工工艺路线

在实际的机械加工过程中讲究工序细化，工种分开加工，工艺路线中各工序的划分主要根据产品毛料状态、加工余量等参数，这样整体工艺路线虽然有些冗长但是准确有序，而且在特定工序需要专用工装，非常有利于控制机械生产加工的各个环节，切实地保证产品质量。但是在航空航天领域里，这种冗长的加工工序无法满足轻量化、多功能化的零件需求，而且一旦机械加工的工艺路线过长对尺寸精度，基准关系的控制极为不利。

本文主要研究对象为某风扇后轴颈零件。该零件是典型的回转零件，主要讨论车铣复合加工该零件的基本工艺路线。该风扇后轴颈零件基本尺寸要求如图1所示。直径为6mm的深孔长径比为18∶1；配合外圆直径为130.033mm±0.006mm；台阶直径130.988mm±0.12mm，其相对于基准B的跳动为0.02；轴向配合尺寸21.5mm±0.03mm，其相对于基准A，B的跳动为0.02；与基准相距79.5mm±0.03mm，相對于基准A的平行度0.01，相对于基准B的垂直度0.015。其中，配合尺寸、工装设计需求、精度要求，技术条件在现有设备条件下要求严格，机械加工相对困难。

机械加工工艺路线一般从对毛坯开始加工。风扇后轴颈零件一般都是采用经过固溶时效热处理后的模锻件做毛坯，硬度要求在HB大于等于388。传统工艺在粗车阶段将车工序和铣工序分开，由于二次装夹产生的加工误差，现将车铣复合加工设备，可以保证热处理后的毛坯一次装夹后，不需要拆卸。如采用复合数控加工设备，可以按顺序完成车、铣、钻、镗等多个加工步骤，大大节省了工序之间的运输、测量装夹时间，由此优化加工工艺路线比传统加工路线至少减少了8道工序。而在精车阶段，由于加工余量所剩不多，对加工精度要求高，更加需要可以通过一次装夹成型后，直接能实现车、铣、钻、扩、铰等加工操作，这样可以减少了不必要的重复定位误差，提高零件的加工质量。在现有阶段的加工水平中，多采用加工中心，一机多能，通过以主轴、数控工作台立卧转换；数控工作台、刀具交换，实现一次装夹完成多工位、多面、多刀具车、钻、镗工艺复合。风扇后轴颈零件作为典型的回转零件在数控加工中心加工定位孔、异形孔、花边、卡槽等特征的钻、镗、铣加工工作，一般安排在精车去量之后进行，即尺寸部分机械加工完成后再安排特征位置机械加工。对于精密孔加工，需要着重考虑加工中心各线性轴、回转轴的定位精度及重复定位精度；对于四轴或五轴铣削，需要保证机床的刚性及冷却功能，降低产生振颤甚至打刀的风险。这种工艺路线的安排着重考虑机床精度、零件变形等情况。

综合考虑生产实际情况，数控加工设备功能，整个设备运营成本，整个产品经济效益等多方面因素，该风扇后轴颈零件最为优选的加工设备是五轴车铣加工中心。因此，经过总体分析优化后工艺路线可以确定为粗车加工→超声检测→细车基准→细车一面→细车二面→消除应力热处理→精车基准→精车型面→精车孔径→精车孔槽。

参考文献

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