航空发动机钛合金筒体加工工艺研究

航空发动机钛合金筒体加工工艺研究
筒体是发动机上的重要零件，结构复杂，尺寸精度及形位公差要求高。

由于用TC6钛合金材料制成，切削性能较差，其质量直接影响组件的强度及密封性。

文章对钛合金筒体的结构特点、材料特点、工艺特点等进行深入分析，從加工方法的选择、刀具选择、定位装夹等方面介绍了钛合金筒体加工工艺，为同类零件的加工提供参考。

标签：钛合金筒体；内孔；密封槽
1 概述
作动筒主要由筒体、活塞杆组成，在航空发动机上的主要功能是通过活塞杆在筒体内的直线往复运动，将液压能转换成机械能，推动加力燃烧室的调节环移动。

其中作动筒筒体的加工精度对整个组件的运动灵活性和工作可靠性有着直接影响。

因此如何提高作动筒筒体的加工质量是关系到发动机工作可靠性的关键之一。

文中针对航空发动机钛合金作动筒筒体（如图1）的加工工艺进行了梳理和总结。

2 钛合金作动筒筒体工艺分析
2.1 材料分析
筒体是用TC6钛合金材料制成，钛合金材料由于导热性、塑性较低，弹性模量小等特点，切削性能较差；钛合金磨削时温度高，磨削力大，砂轮黏附现象严重，因此通常工艺上对钛合金材料不选择磨削的加工方法。

由于钛合金自身的切削性能特点，在加工方法的确定、刀具选择、切削参数的选取及切削液的使用方面要考虑很多因素，给工艺路线安排和加工都带来了一定的难度。

2.2 结构与精度分析
如图1所示，此钛合金筒体从结构上属于整体结构，零件两端的外部各有一对接嘴，大端内孔部位壁厚较薄，属于薄壁结构，在加工中极易变形，影响加工精度。

2.2.1 内孔分析。

筒体内孔是作动筒的主要工作表面之一，它的尺寸精度、形状精度要求均比较高。

但由于零件属于薄壁件，最小壁厚2mm左右，内孔尺寸精度要求7级，表面粗糙度要求Ra0.20μm，对基准的跳动要求为0.03mm；且零件外部带有接嘴（如图1），这种结构对加工时的定位装夹提出了更高的要求。

2.2.2 密封槽的要求。

筒体密封槽的尺寸和形状精度直接影响筒体装配后的密封性能，因此设计图对密封槽的尺寸精度及表面粗糙度要求也较为严格，而且对于槽口尖边也需要严格控制，避免划伤槽内的密封圈，影响密封；同时对4
个密封槽底的同轴度也进行了限制，同时要求密封槽孔表面对基准的跳动为0.04等。

2.3 工艺分析
2.3.1 设备的选择。

筒体精度要求高，材料切削性能差，因此设备应选择精度高且稳定的数控加工设备；又考虑到钛合金筒体的结构特点，优先选择复合加工设备，以确保筒体两端内孔之间的位置精度，减少装夹次数。

2.3.2 加工方法的选择。

为保证筒体内孔加工精度及表面粗糙度，结合筒体材料为钛合金不易磨削的特点，选用珩磨的方法做为精加工工序。

而珩磨之前内孔的半精加工工序也选择为精密车削加工。

2.3.3 刀具的选择。

结合钛合金的材料特点，加工钛合金零件一般选用由硬质合金类刀具，如钨钴类硬质合金、含钴高速钢、铝或钒高速钢。

在选择硬质合金类钛合金刀具时，不应选择钨钛类或TiC和TiN涂层刀具；选择高速钢刀具时加工效率较低，容易磨损。

2.3.4 切削液的选择。

加工钛合金时，应该选择合适的切削液，将刀具和零件上的热量带走，同时带走切屑，达到降低切削力的作用，也是提高加工效率、改善零件加工表面质量的重要方法之一。

加工钛合金常用的切削液包括水或碱性水溶液、水基可溶性油质溶液及非水溶性油质溶液。

3 筒体加工工艺
根据上述分析，经过优化改进，确定钛合金筒体主要的加工工艺路线如下：
毛坯→粗车两端→粗铣外形→钻大端孔→精车外圆→粗镗孔→精镗孔→粗珩磨内孔→钻镗孔→镗槽→车接嘴→镗小端内孔→中间检验→精铣外形→精镗孔、槽及螺纹→铣螺纹及铣槽→钻锁丝孔→精珩内孔→去毛刺→荧光检查→终检
3.1 内孔的半精加工
对图1（b）所示的大端内孔的加工，由于筒体结构所限，内孔半精加工选用车削方法，加工用的夹具属于“半瓦”式结构，如图2所示，夹具与零件的配合间隙控制在0.02mm以内，减小零件的变形空间。

钛合金的弹性模量小，在加工时极易产生较大变形、扭曲，加工精度不易保证。

因此使用夹具时，要控制装夹力，锁紧夹具上的压紧螺栓时要用力均匀、合适，不能过大，防止将薄壁筒体压变形；也不能太小，防止零件装夹不牢，加工时窜动，影响精度，或者加工时零件飞出伤人。

筒体装夹好后，加工时要分多次进刀，减小切削力，防止筒体装夹变形及回弹变形，保证内孔加工精度。

3.2 内孔的珩磨
钛合金磨削性能较差，这是由于钛合金强度、韧性大，高温下化学活性强，使磨削条件恶化，磨削时容易产生磨削微裂纹及磨削烧伤。

因此内孔的精加工选用珩磨方法。

珩磨实质上是磨削的特殊形式，切削速度低，冷却条件好，是低速大面积接触的精加工。

经多方收集数据，反复试验，确定筒体在精车内孔后，先后安排粗珩内孔及精珩内孔保证内孔质量（如图3所示）。

3.3 密封槽的加工
筒体上的密封槽精度要求较高，并且是4个相同的密封槽。

因此工艺安排上不仅要保证加工质量，还要考虑加工效率。

工艺路线中安排先在数控车床上粗车带密封槽的零件小端内外表面，然后选用复合车削中心，精镗孔及密封槽、车小头螺纹工序。

3.4 小端螺纹的数控加工
如图4所示，按设计要求，筒体小端螺纹的精度为6级，且对基准跳动为0.1mm。

综合考虑螺纹精度及加工效率，选择车螺纹的方法，在复合车削中心设备上，精加工小端内孔及密封槽工序，同时车削小端螺纹，加工后螺纹精度高、质量稳定，效率高。

4 结束语
针对筒体内孔尺寸精度及形状精度要求高，而钛合金磨削性能差的特点，缩小内孔车削夹具的配合间隙；同时将珩磨内孔分为粗精珩，并将切削用量固化，提高内孔加工精度。

充分利用数控设备及加工中心的复合加工功能，将内孔、密封槽、螺纹等特征合并加工，提高加工精度、质量稳定性，同时提高了加工效率。

为保证筒体内孔的高效加工，在精加工工序前增加钻孔工序和镗槽工序，先去除内孔大部分余量，减小精加工的余量，提高加工效率。

参考文献：
[1]《透平机械现代制造技术丛书》编委会.结构件制造技术[M].科学出版社.
[2]陈日曜.金属切削原理[M].机械工业出版社.
[3]唐春丽，马晓薇，金亚洲.筒体的加工技术[J].科技创新与应用，2014（02）：92.。