衛(wèi)星推進系統(tǒng)用加熱發(fā)動機TZM合金殼體的車削工藝

耿旭亮，龐學豐，趙鑫宇

天津航天機電設備研究所 天津 300458

1 序言

針對目前多項衛(wèi)星控制推進類產(chǎn)品的加工制造任務，面對多種難加工材料產(chǎn)品的加工制造難題，需要總結(jié)出一套試制方案及工藝措施。TZM合金是控制推進類產(chǎn)品中最先使用的難加工材料，用它制造的殼體能承受1400℃高溫，長期工作溫度在1000℃以上。衛(wèi)星推進系統(tǒng)用加熱發(fā)動機噴嘴通過高頻真空焊接在殼體內(nèi)，因此其加工精度直接影響到發(fā)動機噴嘴的位置精度和發(fā)動機的工作性能。通過分析TZM合金材料的特性，比對加工刀具材料的性能，解決了該零件的加工難點，順利完成了該產(chǎn)品的加工任務。

2 零件加工特性分析

2.1 零件材料分析

TZM合金成分為wTi0.5%、wzr0.08%和wC0.02%，通過粉末燒結(jié)、鍛造等一系列工藝加工而成，其切削過程易出現(xiàn)崩碎和開裂。TZM合金與45鋼物理性能比較見表1。

表1 TZM合金與45鋼物理性能比較

通過表1得知，與易切削鋼——45鋼相比，TZM合金在加工上有以下特點：①材料表面氧化層硬度高，使得切削過程中的切削抗力增大，切削過程易振動，刀具易崩刃破損。②材料元素化學活性大，親和力強，在切削過程中易產(chǎn)生切屑粘結(jié)，使刀具磨損加快。③該合金是脆性材料，切削時切屑呈崩碎狀，且材料硬度較高，刀具磨損嚴重。④彈性模量大，切削變形消耗的功多。⑤選取合理的切削參數(shù)對保證零件加工質(zhì)量及提高刀具壽命可以起到關鍵作用[1，2]。

2.2 零件結(jié)構(gòu)分析

殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該零件加工工藝路線可按常規(guī)思路進行編排，但結(jié)合零件材料特性，在加工過程中應進行工藝改進和優(yōu)化。零件內(nèi)孔M16×1mm內(nèi)螺紋長度較深，標準刀具無法加工，需要定制刀具進行加工。為保證產(chǎn)品精度，需要在加工中創(chuàng)新思路，提出有效的解決方案。

圖1 殼體結(jié)構(gòu)

3 零件切削工藝試驗

3.1 刀具的選用和定型

根據(jù)TZM合金的特性，結(jié)合以往的加工經(jīng)驗，選用YG類硬質(zhì)合金刀具進行試切加工。YG類硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，抗沖擊韌性高，由于材料內(nèi)不含Ti元素，因此避免了與零件材料產(chǎn)生親和作用。YG類硬質(zhì)合金牌號和性能見表2。

表2 YG類硬質(zhì)合金牌號和性能

（1）通用硬質(zhì)合金試切加工 最初選用YG類硬質(zhì)合金進行加工，為提高刀具壽命，減小切削力，刀具前角為1°～3°，為了減小后刀面與零件各表面間的摩擦力，在不降低刀具剛性的前提下，主后角選4°～6°，刀尖圓弧半徑0.2mm。在切削過程中，選取線速度20m/min，粗加工0.2mm，進給量0.12mm/r，加注切削液進行冷卻。當材料去除不到20%時，切削狀況已發(fā)生變化，刀尖嚴重磨損，零件已加工表面出現(xiàn)擠壓拉毛現(xiàn)象，不能正常切削。經(jīng)查閱相關資料，重新選取YG3X牌號硬質(zhì)合金進行加工，YG3X屬于細晶粒硬質(zhì)合金，是YG類合金中耐磨性最高的一種，適合于鑄鐵、有色金屬及其合金的精加工，也適用于淬硬鋼及鎢鉬材料的精加工[3]。在使用YG3X刀片進行切削時，與YG8刀片采用相同的刀具角度及切削參數(shù)，加工過程平穩(wěn)。粗加工外形后，刀片正常，精加工完成后，零件尺寸與對刀時測量尺寸一致，符合加工要求，表面粗糙度值達到Ra=3.2μm。但是第二件零件粗加工完成后，零件外形尺寸比首件尺寸大0.03mm，并且發(fā)現(xiàn)刀尖略有磨損，由此可知車刀耐用度不足，整批生產(chǎn)會使零件尺寸不穩(wěn)定，生產(chǎn)質(zhì)量不易保證。

（2）涂層硬質(zhì)合金試切加工 為使零件尺寸可控，改用涂層硬質(zhì)合金刀具進行試切試驗。涂層有兩種方式，分別是化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。我們選用了CVD工藝處理，使用TiC-Al2O3涂層刀片進行車削，該涂層有較高的抗磨料磨損性能，可以像陶瓷刀一樣高速切削。在加工過程中選用與YG8刀片相同的切削參數(shù)，加工兩件零件后，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，刀具未出現(xiàn)磨損。為提高生產(chǎn)效率，并檢驗刀具壽命，將切削速度提高至40m/min，切削過程平穩(wěn)，切屑排出略有不暢。分析認為，這種現(xiàn)象與切削液的使用有一定關聯(lián)，因為在加工時切削速度屬中低速，所以切削熱并不嚴重，排屑不暢造成零件已加工表面有斷續(xù)拉毛情況。但刀具各表面及刀尖狀況良好，無磨損現(xiàn)象。于是更換極壓切削液進行冷卻潤滑，更換后排屑不暢現(xiàn)象不再發(fā)生，零件表面粗糙度符合設計要求，由此確定可使用該刀片進行加工。

3.2 零件加工工藝

（1） 改變切削方式，減小切削抗力 通過表3可以看出，TZM合金切削層單位面積切削力比工具鋼T10A的數(shù)值還大。最初零件中段φ18mm長凹槽部位，采用G75切槽循環(huán)指令、2mm寬切槽刀先加工右端至要求尺寸，然后換外圓車刀加工左端至要求尺寸，如圖2所示。此時，由于該材料切削層單位面積的切削力較大，在使用切槽刀切槽時，切削刃與零件接觸寬度為2mm，切削刃負荷大，使得切槽刀磨損嚴重，切削狀況極其惡劣，造成切槽刀未完成一個切削循環(huán)時，兩刀尖和主后刀面就已磨損、崩尖，無法繼續(xù)切削。經(jīng)過分析試驗，改用55°菱形刀片，編制25°斜進刀角度，使用外圓車削循環(huán)，加工左端至要求尺寸，然后換反偏刀，將右端部位加工至要求尺寸，如圖3所示。使用偏刀切削時每次背吃刀量為1mm，相比切槽刀與零件的接觸面積減小，降低了切削負荷，且偏刀的剛性比切槽刀大大增強。因此切削過程平穩(wěn)，零件尺寸控制精確。這種加工寬凹槽的方式，適用于加工各類單位面積切削抗力較大的難加工材料。

表3 常用金屬材料性能及切削層單位面積切削力

圖2 零件中段φ18mm長凹槽部位初始加工示意

圖3 零件中段φ18mm長凹槽部位改進加工示意

（2）螺紋出入口處牙形崩牙、鋸齒問題的解決方案 零件內(nèi)螺紋M16×1mm的正常加工方式是：鏜螺紋底孔至尺寸→切退刀槽→螺紋兩端倒角→車螺紋。此加工順序可使螺紋入口和出口處毛刺朝牙外側(cè)翻出，避免了車削完螺紋再倒角而將毛刺擠入螺旋槽內(nèi)，造成螺旋槽內(nèi)毛刺不易清除干凈，影響螺紋配合精度。

TZM合金屬于燒結(jié)制品，材料脆性高，在加工螺紋時，螺紋入口和收口起刀處至一個導程距離段內(nèi)為不完整牙形。該段牙形極為尖銳，牙形頂部呈現(xiàn)鋸齒狀，在外螺紋旋接時，此處受力易使零件崩碎掉渣，從而產(chǎn)生多余物，影響整個噴管部位的安全和性能。為避免這種現(xiàn)象，經(jīng)過多次試切試驗，改變加工順序為：車螺紋底孔→車螺紋→切退刀槽→倒角。按照這種加工方式，使用成形刀切出倒角，這樣擠入螺旋槽內(nèi)的毛刺較薄，同時牙頂崩碎現(xiàn)象減少。螺紋加工完成后，使用自制內(nèi)螺紋牙形刮刀手工去除出入口部位的毛刺，并將該部位牙頂?shù)匿忼X刮平修光，最終使加工出的螺紋滿足設計要求。

（3）改制刀具適應螺紋加工要求 該零件M16×1mm內(nèi)螺紋深度為52mm，現(xiàn)有內(nèi)螺紋車刀為標準長度，但刀桿粗，需將刀桿磨細才能進入底孔。由于直徑符合要求的刀桿較短，螺紋有效長度不能保證，但如果訂制刀具，交付周期為20天以上，嚴重影響產(chǎn)品節(jié)點要求。為此，根據(jù)現(xiàn)有刀具，選用長徑比符合條件的內(nèi)溝槽車刀（見圖4）進行改制，使用金剛石砂輪將內(nèi)溝槽刀片磨制成60°螺紋刀形狀進行螺紋加工，并把內(nèi)溝槽刀桿后端干涉部位磨去，如圖5所示。改制后的刀具，適應了加工需求，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)點。

圖4 標準內(nèi)溝槽刀

圖5 改制內(nèi)螺紋刀

4 結(jié)束語

TZM合金外殼的加工主要是選用最適合的刀具材料，而如何選用則需要對材料特性進行仔細的分析，對硬質(zhì)合金及各類切削材料的性能有深入的了解，并通過試切比對不同刀具材料配合相應切削參數(shù)，選出最適用的刀具牌號和切削參數(shù)。加工過程工藝路線的優(yōu)化，也為該零件的加工提供了保證。

通過TZM合金的加工范例，拓寬了加工思路，掌握了試切方法。我所在以上加工經(jīng)驗的基礎上，陸續(xù)完成了鈮鎢合金、鎢錸合金等難加工材料的試制加工和定型生產(chǎn)。