钛合金凸耳类零件变形控制研究

3. 前言

钛合金凸耳类零件是某航空发动机的一种联接件，用于发动机零件的固定，并传递部分横向外传力，起到辅助支撑和热补偿的作用，是发动机部件在飞机上的定位点，非常重要。凸耳类零件薄壁 U 型槽异形结构特殊，此外加上钛合金难加工材料，加工难度增加。

薄壁 U 型槽，线切割加工去余量后，由于残余应力释放，凸耳厚度尺寸和宽度尺寸变形超差，后续加工无法修正。在磨削凸耳内表面时，由于薄壁刚性差，磨削过程发弹现象，尺寸不稳定，在磨削力作用下，磨削时尺寸合格，磨削完成后回弹，尺寸超差。整批合格率 30% 左右，成本高，而且严重制约了零件的交付进度。急需对该发动机钛合金凸耳类零件加工变形问题攻关，提高加工合格率。

本攻关对前期加工的问题进行工艺分析，确定合适的工艺路线，来提高生产合格率和产品质量。

图 1 设计图

4. 攻关内容

2.1 重难点分析

1. 形状结构的不规则，薄壁刚性差，增加加工难度。薄壁 U 型槽凸耳部位单侧有开口槽和空心槽的不对称设计，这种结构将导致加工的不对称性，进而引起去除余量不均匀，从而出现尺寸超差对称度不合格的问题。

2. 钛合金材料磨削加工变形。U 型槽精磨加工时，由于磨削砂轮与工件面接触和材料的导热性差的原因，磨削高温和热扩散效率低引起零件磨削烧伤，砂轮磨损快，加工效率下降的问题。同时在冷却液外部不均匀冷却，引起薄壁部位不均匀变形，进而出现磨削时尺寸测量合格，冷却完成后尺寸超差的疑难问题。

3. 如何采用数铣精加工取代磨削精加工，解决磨削烧伤变形、低效率问题。针对钛合金薄壁槽磨削变形烧伤的难题，本研究采用数控铣的方法取代磨削加工，研究关键工艺参数、刀具、装夹等工艺，达到磨削面的精度要求，确保符合设计标准。

2.2 技术方案

2.2.1 加工路线优化

由于槽精加工完成后孔变形，由于铣削槽的两平面，受力不均匀，容易导致孔的尺寸和位置度超差。必须对加工阶段进行改进。

改进后的路线主要优势在于，精加工小端耳槽和大端 U 型耳槽时，采用立式加工中心数铣方法取代了平面磨削加工，这样改进后加工效率至少提升 5 倍以上，而且变形超差问题得以解决。因为磨削加工的砂轮与工件接触是面接触，材料的导热性差引起磨削高温且热扩散效率低引起零件磨削烧伤，砂轮磨损快，操作者不得不减小加工进给量和转速以保证质量，但是这样做的后果是加工效率显著下降。改进后的数铣，铣刀的高速旋转，切削刃锋利且与工件接触为线接触，这样的切削力显著下降，工件变形问题得到解决。

2.2.2 数铣刀具及其参数选择。

由于零件刚性差，材料的导热性差，刀具磨损快。刀具材料的选择必须考虑满足：刀具材质硬度、红硬性，强度高且耐磨；刀具的切削刃应锋利，抗粘性=接性能好。由于高速钢的耐热性差，因此刀具材料选择硬质合金铣刀。为改善散热条件，加强切削刃以减小蹦刀现象，刀具取小角的法向前角（选 10^∘ 为宜），为减小零件加工表面对刀具后刀面的磨损和粘节，刀具取较大的法向后角（选 16^∘ 为宜）。采用较大的螺旋角： 40^∘ ，有利于切屑沿刀面容屑槽内排除，同时也能够实际切削前角，使切削轻快。根据槽宽选择铣刀直径Φ11、 Φ5 减小加工弹性变形，保持良好的刚性。铣材料硬质合金 ⋅+IJ 部涂层，确保较好的切削性能和精度。

2.2.3 关键数铣工序及工艺参数。

对于两个耳槽而言，槽宽尺寸、两个槽的对称度和表面粗糙度是数铣加工的关键控制尺寸。它的加工质量将直接影响装配质量。精磨磨削加工保证总厚度设计尺寸后的两个主要工序：大端 U 型耳槽加工采用线切割粗加工去除大余量，侧面和底面留 0.3 余量给精加工、精加工采用数铣，小端直接采用数铣完成加工。经过大量的试加工，摸索数据。

2.2.4 产品检测。

产品加工完后，在三坐标测量对称度，位置度。测高仪测量槽宽尺寸。粗糙度轮廓仪测量表面粗糙度。可以看出零件的各项技术指标满足设计图纸要求。

3 实施过程

本实施例中通过将改进前后的数铣工艺方法进行了对比分析，以体现出优化措施的有效性。

实施措施 1：整体工艺路线改进

实施措施 2：耳型槽加工方法改进

实施措施 3：数铣参数及刀具优化

改进前后的实际加工批次情况对比：