隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，增壓級(jí)鼓筒的作用愈來(lái)愈大，典型的特征是結(jié)構(gòu)復(fù)雜估裁、壁厚薄，在機(jī)械加工中容易產(chǎn)生變形帽拘，影響其加工精度和加工質(zhì)量吠谐，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。鈦合金因其比強(qiáng)度高坡疼、耐腐蝕彬呻、高溫高強(qiáng)度等顯著優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級(jí)鼓筒為載體柄瑰，針對(duì)鈦合金材料及鼓筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)闸氮，通過(guò)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，控制薄壁鼓筒加工變形教沾，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量蒲跨。

　　1. 鈦合金材料的加工特點(diǎn)
　　鈦合金是典型的難加工材料译断，其加工困難主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是由鈦合金材料自身的特性所決定的，二是零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的或悲。鈦合金材料自身特性決定了其加工困難有：①導(dǎo)熱系數(shù)低孙咪，造成切削過(guò)程中散熱差，致使刀具切削刃的溫度大幅度增高巡语，從而嚴(yán)重影響刀具壽命和零件表面加工質(zhì)量翎蹈。②彈性模量小，在切削力作用下男公，易產(chǎn)生彈性變形荤堪。與已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損，并導(dǎo)致刀具磨損加劇码完，易引起切削振顫蛹段。③化學(xué)活性高，極易與刀具材料產(chǎn)生親和作用舞铝，導(dǎo)致粘接、擴(kuò)散妥尘，大大降低刀具壽命毁设。④鈦合金材料的塑性低，切削時(shí)切屑變形系數(shù)小郊蹈，切屑流動(dòng)速度大厢卖，故單位切削力較大，容易引起刀具的磨損房肿。

　　零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）增加了加工困難啊嘁，這是因?yàn)椋孩僭鰤杭?jí)鼓筒為多級(jí)榫槽的整體零件，直徑一般大于800mm暗环，高度在400mm左右干际，壁厚2.15mm，屬于大直徑薄壁鼓筒副瀑。由于零件剛性差弓熏，加工中易產(chǎn)生切削振動(dòng)，一方面嚴(yán)重影響切削效率的提高糠睡，另一方面對(duì)加工表面質(zhì)量的提高產(chǎn)生重要影響挽鞠。②增壓級(jí)鼓筒環(huán)形燕尾榫槽為封閉型面且腔大口小。加工中狈孔，切削液很難噴射到刀尖部位信认，影響冷卻潤(rùn)滑效果，易導(dǎo)致熱量集中均抽。③由于增壓級(jí)鼓筒的薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)嫁赏，加工過(guò)程中易產(chǎn)生讓刀其掂，同時(shí)隨著殘余應(yīng)力釋放，加工變形現(xiàn)象嚴(yán)重橄教，影響零件加工精度清寇。

圖1  增壓級(jí)鼓筒結(jié)構(gòu)

　　2. 變形原因分析
　　影響增壓級(jí)鼓筒加工變形的原因很多，但在制造系統(tǒng)中护蝶，變形的主要因素有：零件的裝夾條件华烟，加工殘余應(yīng)力、切削力和切削熱及切削振動(dòng)等因素青烙。

　【侗瘛（1）零件的裝夾  因薄壁零件剛性差，夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)冕店，會(huì)引起附加應(yīng)力患敢。

　　由于夾緊的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度嘁压，產(chǎn)生加工變形邦孽，所以零件加工時(shí)的裝夾、定位設(shè)計(jì)是減小變形爆踱、保證質(zhì)量的重要因素之一揣喻。

　　（2）殘余應(yīng)力  零件在加工過(guò)程中变抡，由于刀具對(duì)已加工面的擠壓汰畔、刀具前刀面與切屑、后刀面與已加工表面之間的摩擦等綜合作用酌省，使零件表層內(nèi)部產(chǎn)生新的加工殘余應(yīng)力捂滓。殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)零件受到外力作用時(shí)布蔗，外力與殘余應(yīng)力相互作用藤违，使其某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)的應(yīng)力重新分配纵揍，當(dāng)外力作用去除后纺弊，整個(gè)零件由于內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用發(fā)生變形，這種切削過(guò)程中殘余應(yīng)力的重新分布引起的零件變形骡男，對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響淆游。

　　（3）切削力和切削熱   在切削過(guò)程中隔盛，為了克服被加工材料的彈性變形犹菱、塑性變形以及刀具與切屑和工件之間的摩擦，會(huì)產(chǎn)生切削力和切削熱，在切削力和切削熱的作用下腊脱，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形访得，影響零件加工質(zhì)量。另外陕凹，機(jī)床左启、工裝的剛性，切削刀具及其角度贸薇、切削參數(shù)和零件冷卻散熱情況等對(duì)零件的變形也有一定的影響技腻。所有因素中，切削力鸡犯、夾緊力以及殘余應(yīng)力是產(chǎn)生加工變形的主要因素仓筷。

　　3. 工藝方案設(shè)計(jì)
　　增壓級(jí)鼓筒的材料為鈦合金Tc4，毛料為模鍛件葫柴，供貨狀態(tài)為粗加工后的精化毛料聂弓，如圖2所示。

圖2  增壓級(jí)鼓筒毛料

　　由于受超聲波探傷的限制舍辐，毛料型面相對(duì)簡(jiǎn)單拔若，而零件最終型面較為復(fù)雜，使得各表面加工余量差異較大茬燃，因此必須安排粗加工工序取铃，去除余量并使各表面加工余量保持基本均勻。在粗加工后丛楚，安排消除應(yīng)力熱處理，去除粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力憔辫；熱處理后趣些，會(huì)造成零件變形，為此贰您，精加工前安排修基準(zhǔn)工序坏平，提高零件精加工的定位面精度，避免零件由于 “誤差復(fù)映”而產(chǎn)生的變形锦亦。主要機(jī)加工工藝路線：車加工超聲波表面→超聲波探傷→粗車內(nèi)外型面→消除應(yīng)力熱處理→車基準(zhǔn)→精車內(nèi)外型面→銑葉片安裝槽舶替、鎖緊槽→檢驗(yàn)。

　　4. 變形控制
　　針對(duì)鈦合金材料及零件特點(diǎn)杠园，從零件裝夾顾瞪、刀具、切削參數(shù)及走刀路徑等方面綜合考慮抛蚁，控制零件加工變形陈醒。

　　（1）夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  選擇零件剛性較好的配合表面作為定位面，采用軸向定位钉跷、壓緊并保持作用點(diǎn)的位置一致告岸，避免零件在夾緊力的作用下產(chǎn)生變形。

　　針對(duì)零件整體高度較高册榔，壁厚較薄指模、剛性較差的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在車加工零件小端時(shí)瘤薪，選用端面作為軸向定位支撐枝玩，定位塊徑向定位；加工內(nèi)腔型面時(shí)卤索，采用大端安裝邊壓緊的方式恰除；加工外型面時(shí)，采用端面壓蓋壓緊的方式斯泥，在加工小端各型面時(shí)诵藐，考慮到零件的整體高度較高，加工時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)啼阵，故夾具定位面選擇在零件的中間部位端面册血，使定位面的相對(duì)高度下降，可提高零件的整體剛性撤奸。

　　由于該零件具有大而薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)吠昭，在粗加工中盡可能去除較多的余量，但隨著余量不斷地去除胧瓜，零件壁厚減小矢棚，其剛性降低，會(huì)造成零件表面產(chǎn)生加工振紋府喳，同時(shí)零件加工變形增大蒲肋。因此，在加工零件內(nèi)外型面時(shí)钝满，分別在夾具內(nèi)外型面加工的相應(yīng)部位增加輔助支承兜粘，如圖3所示，不僅增加剛性弯蚜，抑制零件的加工變形孔轴，還可吸收零件振動(dòng)的能量，消除振動(dòng)碎捺，提高整個(gè)零件的抗振能力路鹰。

圖3  內(nèi)外型面輔助支承

　　（2）刀具材料及幾何參數(shù)  鈦合金難加工性的一個(gè)關(guān)鍵因素之一就是“熱”的問(wèn)題掖猬，而切削熱是引發(fā)零件變形的因素之一慢杜。切削鈦合金時(shí)讼崔，切屑很容易粘接熔接在刀尖刀刃附近，或形成積屑瘤炫咱，在整個(gè)刀尖附近前死辫、后刀面上形成高溫區(qū)，使刀具紅硬性喪失投圣，磨損加劇檬舀。此外，由于鈦合金的親和力強(qiáng)脓脸，加工鈦合金使用的刀具材料要少鈦或無(wú)鈦元素腹痹。而涂層刀具中的TiN和TiC等和被加工的鈦合金之間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及熔敷現(xiàn)象，造成刀具嚴(yán)重磨損辐椎、切削力增大以及零件變形下伙。為此，我們選用與鈦合金親和力較小的非涂層超細(xì)顆粒的鎢鈷類硬質(zhì)合金車刀恰岳，并且高鈷類刀具效果最為理想吗浩。鈷的主要作用能加強(qiáng)二次硬化效果，提高熱硬性和熱處理后的硬度没隘，同時(shí)具有較高的韌性懂扼、耐磨性及良好的散熱性。

　　鈦合金彈性模量小右蒲，加工變形大阀湿。刀具后角要大些，一般取αo  =15° ～18° 瑰妄，減少加工表面與后刀面間的摩擦提高刀具壽命陷嘴。車削薄壁件時(shí)，前角也要選大些γo =10° 间坐，主偏角75° ～90° 灾挨，有利于降低徑向力，防止振動(dòng)眶诈。刀頭圓弧半徑?jīng)Q定刀尖強(qiáng)度、散熱及磨損瓜饥，不易過(guò)大逝撬，一般取rε=1～2mm。

　　切削鈦合金必須保持刀具鋒利快混，減小加工變形愚矗，降低加工硬化，提高加工表面質(zhì)量穿互。

　⊥忠（3）切削用量  切削過(guò)程中的振動(dòng)是制約薄壁鼓筒加工質(zhì)量提高的重要因素之一。 必須保證在穩(wěn)定條件下加工才能最大限度地提高刀具壽命，保證機(jī)床精度蓬甩。在鈦合金加工工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)必須考慮機(jī)床木影、刀具及零件的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行基于切削穩(wěn)定性的工藝參數(shù)優(yōu)化珠慧。

　　鈦合金材料的性能決定了在同樣的切削用量下璃淤，加工鈦合金時(shí)，刀具單位面積所承受的切削力要比加工一般鋼材時(shí)大得多唬辛，切削溫度也高得多伙斯，因此使刀具磨損很快，材料的可切削性惡化泉扛。為了改善切削條件笛坦，加工時(shí)，使用大量可溶性切削液苔巨，降低切削溫度版扩，提高刀具壽命，減小零件變形恋拷。在精車鈦合金鼓筒時(shí)资厉，切削用量應(yīng)為v=50～70m/min，f =0.1～0.2mm/r蔬顾，a p=0.3～1mm宴偿。

　　加工鈦合金切削用量的選用準(zhǔn)則：應(yīng)從降低切削溫度的觀點(diǎn)出發(fā)，采用較低的切削速度和較大的進(jìn)給量诀豁。由于高的切削溫度使鈦合金從大氣中吸收氧和氫造成工件表面硬脆窄刘，使刀具劇烈磨損，造成零件變形舷胜。因此在加工過(guò)程中娩践，須使刀尖溫度保持在合適的溫度，避免溫度過(guò)高烹骨，影響零件變形翻伺。

　　（4）走刀方式與走刀路徑  走刀路徑對(duì)提高薄壁鼓筒加工精度產(chǎn)生重要影響陵阁。在走刀路線的安排上第六，先去除余量較大表面，再依次去除余量較小的表面锹鹉，最后修復(fù)基準(zhǔn)面乙遵。對(duì)于具有定位功能的表面，盡可能采用由內(nèi)向外的走刀方式塑满，形成內(nèi)凹的微觀結(jié)構(gòu)轮庵，有利于定位韩记。

　　粗加工余量較大部位，采用插式分層循環(huán)走刀方式沦靖，能有效提高加工效率喂交，降低切削變形及其影響，如圖4所示擦蚣；精加工采用循環(huán)與輪廓走刀相結(jié)合的方式峡蓖，減小零件變形，如圖5所示掠廓。

　　走刀時(shí)盡量使刀片承受的切削力壓向刀桿方向换怖，使加工過(guò)程平穩(wěn)；采用相對(duì)蟀瞧、相背離的走刀方式沉颂，抵消加工應(yīng)力，以利于材料均勻去除悦污，使殘余應(yīng)力均勻釋放并保持零件剛度的均衡性铸屉，以減小零件加工變形，如圖6所示切端。

圖4  內(nèi)外型面粗加工走刀刀軌

圖5  內(nèi)外型面精加工走刀刀軌

　〕固场（5）程序編制   在數(shù)控程序編制時(shí)，充分考慮零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)踏枣，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡昌屉。粗加工時(shí)，編制循環(huán)數(shù)控加工程序茵瀑，分層去除余量间驮，既減少加工應(yīng)力，控制零件變形煤蔚，又有利于排屑和斷屑试填，有效提高零件的加工質(zhì)量及加工效率。精加工時(shí)谦枢，采用刀心編程與輪廓編程相結(jié)合的方法三麦，在輪廓接刀部位采用切向圓弧切入切出的方式，使得切入切出平穩(wěn)過(guò)渡怕茉，避免在輪廓面上留下刀痕屈宿，保證零件加工表面質(zhì)量。

圖6  走刀刀軌

　∩蹦恕（6）熱處理去應(yīng)力   薄壁結(jié)構(gòu)的零件在加工過(guò)程中球逢，因應(yīng)力釋放極易變形原承，工藝方法常采用粗碳环、精加工分開(kāi)進(jìn)行矮蘑，并在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，去除鍛件及粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力鞍后。對(duì)于變形嚴(yán)重的高精度零件置塘，還要安排半精加工，并進(jìn)行多次去應(yīng)力處理伴澄。

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