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西安航空動(dòng)力控制科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中航西控）創(chuàng)建于1955年，隸屬于中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司，是中國(guó)航空發(fā)動(dòng)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(yàn)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(jì)量檢測(cè)能力和信息化管理手段，設(shè)有兩個(gè)設(shè)計(jì)研究所、十余個(gè)專(zhuān)業(yè)制造單元及相關(guān)業(yè)務(wù)、生產(chǎn)、信息技術(shù)、國(guó)際合作等管理部門(mén)。以PDM為平臺(tái)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造體系，使中航西控具有研制適應(yīng)市場(chǎng)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(chǎng)加工圖
自成立近六十年來(lái)，中航西控先后為中國(guó)50多種航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)了150多個(gè)型號(hào)的數(shù)十萬(wàn)臺(tái)套燃油附件。同時(shí)，通過(guò)實(shí)施核心技術(shù)輻射戰(zhàn)略，已成功涉足航天和陸用戰(zhàn)車(chē)動(dòng)力控制、民航修理、國(guó)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(jì)局等世界知名航空企業(yè)建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系。
隨著航空航天領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鈦合金的使用比重越來(lái)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(diǎn)，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料。在航空發(fā)動(dòng)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(lèi)連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時(shí)，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點(diǎn)也給加工帶來(lái)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(guò)對(duì)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(lái)找到適合在數(shù)控車(chē)床上對(duì)鈦合金軸類(lèi)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(lái)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(shí)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(dòng)機(jī)燃油附件中常用TC4、TC6，其中TC4是這類(lèi)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(lái)了困難。針對(duì)鈦合金中TC4這類(lèi)材料的零件，尤其是車(chē)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(yàn)。
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(shí)在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高和較集中的切削力。這樣就容易產(chǎn)生振動(dòng)而導(dǎo)致切削時(shí)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(huì)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(guò)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(shí)與工件親和力大，切削加工時(shí)刀具與工件接觸時(shí)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(wú)法及時(shí)通過(guò)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(xiàng)系統(tǒng)工程
中航西控所制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金零件以小型軸類(lèi)零件為主，車(chē)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(xiàng)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(gè)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(chē)床，加工時(shí)主軸震動(dòng)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(mǎn)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(lèi)金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質(zhì)合金刀具價(jià)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(lèi)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(lèi)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(chē)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(guò)高的切削速度會(huì)導(dǎo)致切削熱升高，刀具切削刃過(guò)熱、粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加重，會(huì)縮短刀具使用壽命；同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈦合金工件表層開(kāi)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(duì)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(gè)參數(shù)設(shè)定時(shí)需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
硬質(zhì)合金涂層刀具改善加工
旋轉(zhuǎn)類(lèi)零件如某螺塞零件，最大外圓直徑為φ33.8，材料為T(mén)C4，原材料選用φ30棒材。零件采用一次車(chē)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(chē)床，其主軸轉(zhuǎn)速最高6000轉(zhuǎn)/分，主軸跳動(dòng)小于2μm，加工時(shí)主軸震動(dòng)極小加工穩(wěn)定性好，冷卻液可由3個(gè)方向噴出，冷卻充分。
圖1 產(chǎn)品零件圖
進(jìn)行外圓車(chē)削時(shí)，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(lái)料狀態(tài)為圓棒料，表面有熱處理氧化層，加工時(shí)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(wú)法滿(mǎn)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，中航西控最終選用了瓦爾特公司同等價(jià)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(shí)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(gè)有效切削刃，NM4是專(zhuān)為不銹鋼和難加工材料設(shè)計(jì)槽型，適合中等切削，在單邊余量0.5~4mm，進(jìn)給0.16~0.25以?xún)?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(zhǎng)了刀具壽命。
CCMT09T304-PF4材質(zhì)WSM30刀片是C形正型刀片，PF4是專(zhuān)為不銹鋼和難加工材料設(shè)計(jì)的精加工槽型，適合單邊余量在1.5mm以?xún)?nèi)的精車(chē)加工。
由于TC4的加工特性及刀具材質(zhì)WSM30的特性，使切削時(shí)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(duì)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(shí)硬質(zhì)合金涂層刀具耐高溫且紅硬性好，使得工件粗車(chē)加工時(shí)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(gè)刃可使用6次，大大降低了粗加工時(shí)的刀具費(fèi)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(chē)刀片一個(gè)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(chē)刀片一個(gè)刀刃可加工45～50件零件，鏜孔加工時(shí)一個(gè)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?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了零件的設(shè)計(jì)要求，而且車(chē)削零件時(shí)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(chǎng)加工圖
鈦合金以其優(yōu)良的性能在國(guó)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(wèn)題的影響，應(yīng)用層面一直受到比較大的阻礙，通過(guò)以上對(duì)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(chē)削時(shí)刀具耐用度低等問(wèn)題。實(shí)踐證明數(shù)控車(chē)床、硬質(zhì)合金涂層刀具不失為加工鈦合金的利器，在車(chē)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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