西安航空動力控制科技有限公司（以下簡稱中航西控）創(chuàng)建于1955年，隸屬于中國航空工業(yè)集團(tuán)公司，是中國航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)、飛機(jī)液壓裝置及高技術(shù)機(jī)電產(chǎn)品研制、試驗和生產(chǎn)的基地。擁有先進(jìn)的數(shù)字化精密機(jī)械制造、特種工藝、計量檢測能力和信息化管理手段，設(shè)有兩個設(shè)計研究所、十余個專業(yè)制造單元及相關(guān)業(yè)務(wù)、生產(chǎn)、信息技術(shù)、國際合作等管理部門。以PDM為平臺的數(shù)字化設(shè)計制造體系，使中航西控具有研制適應(yīng)市場快速變化的不同產(chǎn)品的柔性加工能力。
圖1 產(chǎn)品零件圖
圖2 刀具的磨損形式
圖3 硬質(zhì)合金涂層粗、精加工刀具
圖4 現(xiàn)場加工圖
自成立近六十年來，中航西控先后為中國50多種航空、航天發(fā)動機(jī)研制生產(chǎn)了150多個型號的數(shù)十萬臺套燃油附件。同時，通過實施核心技術(shù)輻射戰(zhàn)略，已成功涉足航天和陸用戰(zhàn)車動力控制、民航修理、國際航空零部件轉(zhuǎn)包生產(chǎn)等領(lǐng)域，與霍尼韋爾、古德里奇、聯(lián)合技術(shù)、伊頓、GE、史密斯宇航、艾嘎設(shè)計局等世界知名航空企業(yè)建立了長期穩(wěn)定的合作關(guān)系。
隨著航空航天領(lǐng)域發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鈦合金的使用比重越來越大：鈦合金憑借優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等特點，成為飛機(jī)發(fā)動機(jī)理想的制造材料。在航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導(dǎo)致刀具磨損快等加工難題頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了加工精度和效率。因此，中航西控主要通過對鈦合金材料切削加工性能的分析，選用合理的加工刀具，確定較優(yōu)的切削參數(shù)和加工工藝，來找到適合在數(shù)控車床上對鈦合金軸類零件進(jìn)行粗加工和精加工的有效途徑。
鈦合金加工給刀具帶來極大挑戰(zhàn)
鈦的各種屬性使之成為具有強(qiáng)大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。工業(yè)中常用鈦合金為兩相鈦合金，即（α+β）鈦合金，在航空發(fā)動機(jī)燃油附件中常用TC4、TC6，其中TC4是這類合金的典型代表。鈦合金材料硬度高、切削性能差，且易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，給切削加工帶來了困難。針對鈦合金中TC4這類材料的零件，尤其是車削加工工藝，中航西控做了較為深入的研究，并取得了一些經(jīng)驗。
首先，鈦合金的彈性模數(shù)小，其中TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的一半，而且導(dǎo)熱性低，因而由切削力所引起的被加工件彈性變形大，同時在加工過程中會產(chǎn)生較高和較集中的切削力。這樣就容易產(chǎn)生振動而導(dǎo)致切削時出現(xiàn)震顫，降低工件精度，因此要改善加工系統(tǒng)的剛性。
其次，鈦合金在切削加工中所產(chǎn)生的局部高溫，使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮，從而形成又硬又脆的外皮。這就會造成工件加工表面的加工硬化現(xiàn)象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，容易在切削過程中產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。
除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學(xué)性能使其切削加工時與工件親和力大，切削加工時刀具與工件接觸時易產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，增大了刀具與工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱。由此產(chǎn)生的大量切削熱無法及時通過切屑散發(fā)出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。
鈦合金加工是一項系統(tǒng)工程
中航西控所制造的航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金零件以小型軸類零件為主，車削加工為其主要加工手段。
這里的鈦合金加工可以被看作是一項系統(tǒng)工程，需要從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、冷卻液等多個角度進(jìn)行考慮。就加工設(shè)備而言，鈦合金加工需要機(jī)床加工性能好，冷卻充分，所以加工設(shè)備選擇加工精度較高的數(shù)控車床，加工時主軸震動極小加工穩(wěn)定性好。
用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好，具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強(qiáng)度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質(zhì)合金刀具價格低廉，且具有良好的導(dǎo)熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現(xiàn)出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類金剛石刀具的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性要差一些，但比陶瓷和類金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。
在車削參數(shù)方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設(shè)定，過高的切削速度會導(dǎo)致切削熱升高，刀具切削刃過熱、粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加重，會縮短刀具使用壽命；同時會導(dǎo)致鈦合金工件表層開裂或氧化，影響工件的力學(xué)性能，所以應(yīng)在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當(dāng)較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質(zhì)量。其次是切削深度的設(shè)定，因鈦合金工件加工前須進(jìn)行預(yù)備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應(yīng)采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機(jī)體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外一個參數(shù)設(shè)定時需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對產(chǎn)生切削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小切削速度增大進(jìn)給量是合理的切削方式。
為保證加工質(zhì)量及提高刀具的耐用度，還應(yīng)考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長刀具使用壽命。
硬質(zhì)合金涂層刀具改善加工
旋轉(zhuǎn)類零件如某螺塞零件，最大外圓直徑為φ33.8，材料為TC4，原材料選用φ30棒材。零件采用一次車削加工完成（如圖1）。為了保證零件加工精度，加工設(shè)備選用了進(jìn)口數(shù)控車床，其主軸轉(zhuǎn)速最高6000轉(zhuǎn)/分，主軸跳動小于2μm，加工時主軸震動極小加工穩(wěn)定性好，冷卻液可由3個方向噴出，冷卻充分。
圖1 產(chǎn)品零件圖
進(jìn)行外圓車削時，初期選用了某知名品牌硬質(zhì)合金涂層刀具，按照廠家推薦的切削參數(shù)進(jìn)行加工。由于零件來料狀態(tài)為圓棒料，表面有熱處理氧化層，加工時刀具的邊界磨損嚴(yán)重，致使加工10～15件零件刀具就產(chǎn)生不同程度的磨損及崩刃現(xiàn)象（如圖2），無法滿足批量生產(chǎn)的加工需求。
圖2 刀具的磨損形式
后期經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，中航西控最終選用了瓦爾特公司同等價格下的硬質(zhì)合金涂層刀具：外圓粗加工選用WNMG080404-NM4 材質(zhì)WSM30；外圓精加工選用CCMT09T304-PF4材質(zhì)WSM30（如圖3），此刀片同時用于鏜孔加工。
圖3 硬質(zhì)合金涂層粗、精加工刀具
WNMG080404-NM4材質(zhì)WSM30刀片是一款W形負(fù)型刀片，雙面6個有效切削刃，NM4是專為不銹鋼和難加工材料設(shè)計槽型，適合中等切削，在單邊余量0.5~4mm，進(jìn)給0.16~0.25以內(nèi)，都可以形成完美的切屑。WSM30材質(zhì)的抗沖擊性能非常強(qiáng)，刀片涂層則是采用了Al2O3物理涂層，既確保了刃口的鋒利性，又具有出色的紅硬性，有效延長了刀具壽命。
CCMT09T304-PF4材質(zhì)WSM30刀片是C形正型刀片，PF4是專為不銹鋼和難加工材料設(shè)計的精加工槽型，適合單邊余量在1.5mm以內(nèi)的精車加工。
由于TC4的加工特性及刀具材質(zhì)WSM30的特性，使切削時產(chǎn)生大量的熱量，加工區(qū)溫度可達(dá)到800℃ 以上，而刀具切削區(qū)的高溫可對工件的切削層產(chǎn)生退火和軟化效應(yīng)，可很大程度上消除零件的加工硬化現(xiàn)象；同時硬質(zhì)合金涂層刀具耐高溫且紅硬性好，使得工件粗車加工時較易切削；粗加工用WNMG080404-NM4刀片為凸三角形刀片，負(fù)型刀片，可以正反使用，共6個刃可使用6次，大大降低了粗加工時的刀具費用。
粗加工選擇低轉(zhuǎn)速大進(jìn)給量，切削參數(shù)選擇：切削深度ap=0.8～1.2 mm；進(jìn)給量F=0.18～0.4 mm/n；主軸轉(zhuǎn)速S=600～1000rpm。粗車刀片一個刀刃可加工25～30件零件。精加工及鏜孔加工切削參數(shù)選擇：切削深度ap=0.2mm；進(jìn)給量F=0.1mm/n；主軸轉(zhuǎn)速S=2000rpm左右，精車刀片一個刀刃可加工45～50件零件，鏜孔加工時一個刀刃可加工35～45件，加工后零件的表面粗糙度可達(dá)Ra0.8，尺寸精度可控制0.005mm以內(nèi)，滿足了零件的設(shè)計要求，而且車削零件時的加工硬化現(xiàn)象基本消除，大大提高了加工效率及刀具使用壽命。
圖4 現(xiàn)場加工圖
鈦合金以其優(yōu)良的性能在國內(nèi)外航空航天工業(yè)領(lǐng)域的使用率在逐年提升，但受加工成本高、加工效率低、刀具耐用度低等問題的影響，應(yīng)用層面一直受到比較大的阻礙，通過以上對鈦合金切削性能分析、合理選擇刀具及加工參數(shù)，有效的解決了鈦合金零件車削時刀具耐用度低等問題。實踐證明數(shù)控車床、硬質(zhì)合金涂層刀具不失為加工鈦合金的利器，在車削刀具選擇上瓦爾特公司的產(chǎn)品是一種比較經(jīng)濟(jì)的選擇。
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