TC4鈦合金空氣導(dǎo)管精密成形加工工藝研究

邵曉寒++李昱

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是制造工業(yè)的精華之作，其對(duì)于各組成零部件的加工精度要求極高，為滿足各零部件的加工制造，需要在分析各零部件加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上做好加工工藝的研究與優(yōu)化，最大限度地提高航空零部件的加工質(zhì)量與加工效率，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)。高壓渦輪空氣導(dǎo)管是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要的組成部分，高壓渦輪空氣導(dǎo)管其材料使用的TC4鈦合金，由于材料硬度及加工精度較高從而使得高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工制造受到了極大的影響。為提高高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工質(zhì)量及加工效率通過對(duì)TC4高壓渦輪空氣導(dǎo)管的各加工環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，并在此基礎(chǔ)上通過對(duì)各環(huán)節(jié)的難點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，從而使得高壓渦輪空氣導(dǎo)管的精密成形加工得到了有效的提升。

關(guān)鍵詞：TC4；高壓渦輪空氣導(dǎo)管；精密成形加工

中圖分類號(hào)：V263 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

某型號(hào)的高壓渦輪空氣導(dǎo)管在加工的過程中采用的是1.3mm厚度的TC4型鈦合金板材加工而成的。此型號(hào)的高壓渦輪空氣導(dǎo)管在加工過程中對(duì)于零部件的圓度、直線度以及垂直度等各加工精度有著極高的要求。同時(shí)在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工的過程中由于鈦合金材料的在材料硬度、屈服極限以及彈性極限比值等數(shù)值的比值較高致使高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工成形難度極大。為做好對(duì)于高壓渦輪空氣導(dǎo)管的成形加工，需要在總結(jié)高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1.高壓渦輪空氣導(dǎo)管成形加工難點(diǎn)分析

1.1高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工工藝分析

某型號(hào)的高壓渦輪空氣導(dǎo)管所使用的TC4鈦合金材料在屈服極限和彈性極限比值上都有著較高的數(shù)值，同時(shí)鈦合金材料所具有的屈強(qiáng)比高、變形抗力和變形回彈量大以及塑性比低等的特點(diǎn)都導(dǎo)致了高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工成形難度極大。在高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工成型過程中，為了確保高壓渦輪空氣導(dǎo)管一次滾彎成形則需要確保成形設(shè)備具有較小的滾彎曲率，這些數(shù)據(jù)都對(duì)加工設(shè)備的強(qiáng)度和剛度提出了極高的要求。

在高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工過程中由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次成形加工，因此在高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工過程中采用了雙半圓筒形加工后焊接成形的加工工藝，而后對(duì)焊接成形的筒形導(dǎo)管件進(jìn)行高精度的熱校成形加工以確保加工完成后的高壓渦輪空氣導(dǎo)管滿足各項(xiàng)精度尺寸要求。

1.2高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工難點(diǎn)

高壓渦輪空氣導(dǎo)管所使用的鈦合金材料本身的硬度等因素為加工帶來(lái)的困難。TC4鈦合金由于切削變形系數(shù)<1使得加工刀具在與鈦合金材料接觸的過程中摩擦阻力增大，從而使得加工刀具的使用壽命受到了極大的影響。在對(duì)鈦合金進(jìn)行切削加工時(shí)所產(chǎn)生的高溫及切削時(shí)刀刃與鈦合金接觸時(shí)所產(chǎn)生的壓力容易導(dǎo)致切削屑與加工刀具產(chǎn)生咬合，從而導(dǎo)致嚴(yán)重粘刀現(xiàn)象的產(chǎn)生。鈦材料由于本身所具有的高活性使得其在加工過程中容易與空氣中的氧氣、氮?dú)?、氫氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致鈦合金材料表層的硬度下降，進(jìn)而影響到高壓渦輪空氣導(dǎo)管切削加工的順利進(jìn)行。

在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行加工的過程中為了確保后續(xù)焊接加工的精度，需要在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行切削加工時(shí)將銑加工面的平面度控制在0.05mm的誤差范圍內(nèi)。此外，根據(jù)加工工藝的要求，在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行加工時(shí)采用的是先加工成雙半圓筒形結(jié)構(gòu)，而后再進(jìn)行焊接，并在焊接成形后對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行精密成形加工.由于鈦合金材料的特性使得其在完成半圓筒形加工后零部件具有較大的回彈性。為確保高壓渦輪空氣導(dǎo)管在加工后的精度，需要在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行銑加工時(shí)對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行全限位約束。 高壓渦輪空氣導(dǎo)管本身壁厚較薄，加之高壓渦輪空氣導(dǎo)管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)從而對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管的裝夾提出了更高的要求。裝夾定位壓緊力較小而容易導(dǎo)致高壓渦輪空氣導(dǎo)管再加工過程中出現(xiàn)讓刀，而裝夾壓力較大而容易導(dǎo)致高壓渦輪空氣導(dǎo)管出現(xiàn)變形從而影響高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工精度。

1.3校形加工難點(diǎn)分析

在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行了預(yù)加工和焊接加工后需要對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行校形加工。這是由于高壓渦輪空氣導(dǎo)管的壁厚較薄，其在焊接加工時(shí)，由于鈦合金在高溫下的回彈及焊接變形等因素致使高壓渦輪空氣導(dǎo)管的精度會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，為使得高壓渦輪空氣導(dǎo)管滿足加工精度要求，需要對(duì)焊接后的高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行精密校形加工。在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行精密校形加工時(shí)由于受到鈦合金材料高變形抗力和變形回彈量大的特點(diǎn)，單一的使用冷校形加工無(wú)法滿足高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工要求。因此在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行校形加工時(shí)需要利用鈦合金的高溫力學(xué)性能特點(diǎn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行加工。

2.做好高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工工藝的優(yōu)化

2.1在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加工時(shí)加工工藝的優(yōu)化

在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加工時(shí)，根據(jù)鈦合金材料的特點(diǎn)需要選用順銑加工的加工方法，順銑加工時(shí)刀具的切削刃與所銑出的薄銑屑與刀具之間不易黏合。需要注意的是在高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工時(shí)鈦合金彈性模量較小采用順銑加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的讓刀現(xiàn)象，為提高高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工精度，需要確保加工刀具具有較強(qiáng)的剛度.在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加工時(shí)為確保高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工精度通過試驗(yàn)確定了相應(yīng)的加工參數(shù)：刀具的切削速度控制在30m/min，加工進(jìn)給量為0.005mm，背吃刀量為0.5mm。在對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行加工過程需要對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行良好的裝夾：首先使得高壓渦輪空氣導(dǎo)管能夠處于限位約束狀態(tài)，而后在裝夾完成后零件和工裝整體需要具有足夠的剛度，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)在設(shè)計(jì)工裝時(shí)工裝需要采用厚實(shí)的底座加型塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確保高壓渦輪空氣導(dǎo)管在裝夾定位后導(dǎo)管沿長(zhǎng)度方向能夠均勻緊密的貼合在整個(gè)型塊的型面上，使其能夠完全滿足焊接對(duì)接接頭加寬邊銑加工的精度要求。同時(shí)整個(gè)工裝能夠快速地完成裝配和翻邊加工，有效地提高了高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工效率。

2.2做好高壓渦輪空氣導(dǎo)管校形加工工藝的優(yōu)化

在使用高溫?zé)嵝Ｐ渭庸r(shí)，首先需要對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行不同溫度下的應(yīng)力松弛性能測(cè)試，用以測(cè)試鈦合金在各個(gè)不同溫度受力變形情況。借助彎曲理論和松弛理論需要對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管的校形回彈量和應(yīng)力松弛校形后的回彈量進(jìn)行計(jì)算，從而確定出在何種溫度下對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行精密校形加工。通過大量的試驗(yàn)后表明在對(duì)D=128.4mm的高壓渦輪空氣導(dǎo)管進(jìn)行高溫精密校形加工時(shí)需要在保溫溫度為650℃保溫時(shí)間>17min的時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行加工。同時(shí)在高溫校形加工時(shí)需要對(duì)校形模具進(jìn)行優(yōu)化，并在對(duì)校形模具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意考慮溫度對(duì)其所造成的熱膨脹影響。在對(duì)于高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工毛坯件的選取上，根據(jù)高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工圖紙要求，在毛坯件的選取上選擇的是厚度為1.3mm的TC4鈦合金板材滾彎后焊接而成的筒形件，考慮到后續(xù)的熱校形加工的需求，在毛坯件內(nèi)徑的選取上選定的是D=128mm。

結(jié)語(yǔ)

高壓渦輪空氣導(dǎo)管是一種薄壁、高精度的航空零部件，在高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工過程中通過結(jié)合高壓渦輪空氣導(dǎo)管所使用的材料的特點(diǎn)，通過對(duì)高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)于高壓渦輪空氣導(dǎo)管的高精度成形加工。在確保高壓渦輪空氣導(dǎo)管加工精度的基礎(chǔ)上提高了高壓渦輪空氣導(dǎo)管的加工效率。

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