卫星推进系统用加热发动机TZM合金壳体的车削工艺

耿旭亮，庞学丰，赵鑫宇

天津航天机电设备研究所 天津 300458

1 序言

针对目前多项卫星控制推进类产品的加工制造任务，面对多种难加工材料产品的加工制造难题，需要总结出一套试制方案及工艺措施。TZM合金是控制推进类产品中最先使用的难加工材料，用它制造的壳体能承受1400℃高温，长期工作温度在1000℃以上。卫星推进系统用加热发动机喷嘴通过高频真空焊接在壳体内，因此其加工精度直接影响到发动机喷嘴的位置精度和发动机的工作性能。通过分析TZM合金材料的特性，比对加工刀具材料的性能，解决了该零件的加工难点，顺利完成了该产品的加工任务。

2 零件加工特性分析

2.1 零件材料分析

TZM合金成分为wTi0.5%、wzr0.08%和wC0.02%，通过粉末烧结、锻造等一系列工艺加工而成，其切削过程易出现崩碎和开裂。TZM合金与45钢物理性能比较见表1。

表1 TZM合金与45钢物理性能比较

通过表1得知，与易切削钢——45钢相比，TZM合金在加工上有以下特点：①材料表面氧化层硬度高，使得切削过程中的切削抗力增大，切削过程易振动，刀具易崩刃破损。②材料元素化学活性大，亲和力强，在切削过程中易产生切屑粘结，使刀具磨损加快。③该合金是脆性材料，切削时切屑呈崩碎状，且材料硬度较高，刀具磨损严重。④弹性模量大，切削变形消耗的功多。⑤选取合理的切削参数对保证零件加工质量及提高刀具寿命可以起到关键作用[1，2]。

2.2 零件结构分析

壳体结构如图1所示。该零件加工工艺路线可按常规思路进行编排，但结合零件材料特性，在加工过程中应进行工艺改进和优化。零件内孔M16×1mm内螺纹长度较深，标准刀具无法加工，需要定制刀具进行加工。为保证产品精度，需要在加工中创新思路，提出有效的解决方案。

图1 壳体结构

3 零件切削工艺试验

3.1 刀具的选用和定型

根据TZM合金的特性，结合以往的加工经验，选用YG类硬质合金刀具进行试切加工。YG类硬质合金刀具耐磨性好，抗冲击韧性高，由于材料内不含Ti元素，因此避免了与零件材料产生亲和作用。YG类硬质合金牌号和性能见表2。

表2 YG类硬质合金牌号和性能

（1）通用硬质合金试切加工 最初选用YG类硬质合金进行加工，为提高刀具寿命，减小切削力，刀具前角为1°～3°，为了减小后刀面与零件各表面间的摩擦力，在不降低刀具刚性的前提下，主后角选4°～6°，刀尖圆弧半径0.2mm。在切削过程中，选取线速度20m/min，粗加工0.2mm，进给量0.12mm/r，加注切削液进行冷却。当材料去除不到20%时，切削状况已发生变化，刀尖严重磨损，零件已加工表面出现挤压拉毛现象，不能正常切削。经查阅相关资料，重新选取YG3X牌号硬质合金进行加工，YG3X属于细晶粒硬质合金，是YG类合金中耐磨性最高的一种，适合于铸铁、有色金属及其合金的精加工，也适用于淬硬钢及钨钼材料的精加工[3]。在使用YG3X刀片进行切削时，与YG8刀片采用相同的刀具角度及切削参数，加工过程平稳。粗加工外形后，刀片正常，精加工完成后，零件尺寸与对刀时测量尺寸一致，符合加工要求，表面粗糙度值达到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，并且发现刀尖略有磨损，由此可知车刀耐用度不足，整批生产会使零件尺寸不稳定，生产质量不易保证。

（2）涂层硬质合金试切加工 为使零件尺寸可控，改用涂层硬质合金刀具进行试切试验。涂层有两种方式，分别是化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。我们选用了CVD工艺处理，使用TiC-Al2O3涂层刀片进行车削，该涂层有较高的抗磨料磨损性能，可以像陶瓷刀一样高速切削。在加工过程中选用与YG8刀片相同的切削参数，加工两件零件后，产品尺寸稳定，刀具未出现磨损。为提高生产效率，并检验刀具寿命，将切削速度提高至40m/min，切削过程平稳，切屑排出略有不畅。分析认为，这种现象与切削液的使用有一定关联，因为在加工时切削速度属中低速，所以切削热并不严重，排屑不畅造成零件已加工表面有断续拉毛情况。但刀具各表面及刀尖状况良好，无磨损现象。于是更换极压切削液进行冷却润滑，更换后排屑不畅现象不再发生，零件表面粗糙度符合设计要求，由此确定可使用该刀片进行加工。

3.2 零件加工工艺

（1） 改变切削方式，减小切削抗力 通过表3可以看出，TZM合金切削层单位面积切削力比工具钢T10A的数值还大。最初零件中段φ18mm长凹槽部位，采用G75切槽循环指令、2mm宽切槽刀先加工右端至要求尺寸，然后换外圆车刀加工左端至要求尺寸，如图2所示。此时，由于该材料切削层单位面积的切削力较大，在使用切槽刀切槽时，切削刃与零件接触宽度为2mm，切削刃负荷大，使得切槽刀磨损严重，切削状况极其恶劣，造成切槽刀未完成一个切削循环时，两刀尖和主后刀面就已磨损、崩尖，无法继续切削。经过分析试验，改用55°菱形刀片，编制25°斜进刀角度，使用外圆车削循环，加工左端至要求尺寸，然后换反偏刀，将右端部位加工至要求尺寸，如图3所示。使用偏刀切削时每次背吃刀量为1mm，相比切槽刀与零件的接触面积减小，降低了切削负荷，且偏刀的刚性比切槽刀大大增强。因此切削过程平稳，零件尺寸控制精确。这种加工宽凹槽的方式，适用于加工各类单位面积切削抗力较大的难加工材料。

表3 常用金属材料性能及切削层单位面积切削力

图2 零件中段φ18mm长凹槽部位初始加工示意

图3 零件中段φ18mm长凹槽部位改进加工示意

（2）螺纹出入口处牙形崩牙、锯齿问题的解决方案 零件内螺纹M16×1mm的正常加工方式是：镗螺纹底孔至尺寸→切退刀槽→螺纹两端倒角→车螺纹。此加工顺序可使螺纹入口和出口处毛刺朝牙外侧翻出，避免了车削完螺纹再倒角而将毛刺挤入螺旋槽内，造成螺旋槽内毛刺不易清除干净，影响螺纹配合精度。

TZM合金属于烧结制品，材料脆性高，在加工螺纹时，螺纹入口和收口起刀处至一个导程距离段内为不完整牙形。该段牙形极为尖锐，牙形顶部呈现锯齿状，在外螺纹旋接时，此处受力易使零件崩碎掉渣，从而产生多余物，影响整个喷管部位的安全和性能。为避免这种现象，经过多次试切试验，改变加工顺序为：车螺纹底孔→车螺纹→切退刀槽→倒角。按照这种加工方式，使用成形刀切出倒角，这样挤入螺旋槽内的毛刺较薄，同时牙顶崩碎现象减少。螺纹加工完成后，使用自制内螺纹牙形刮刀手工去除出入口部位的毛刺，并将该部位牙顶的锯齿刮平修光，最终使加工出的螺纹满足设计要求。

（3）改制刀具适应螺纹加工要求 该零件M16×1mm内螺纹深度为52mm，现有内螺纹车刀为标准长度，但刀杆粗，需将刀杆磨细才能进入底孔。由于直径符合要求的刀杆较短，螺纹有效长度不能保证，但如果订制刀具，交付周期为20天以上，严重影响产品节点要求。为此，根据现有刀具，选用长径比符合条件的内沟槽车刀（见图4）进行改制，使用金刚石砂轮将内沟槽刀片磨制成60°螺纹刀形状进行螺纹加工，并把内沟槽刀杆后端干涉部位磨去，如图5所示。改制后的刀具，适应了加工需求，保证了产品的生产节点。

图4 标准内沟槽刀

图5 改制内螺纹刀

4 结束语

TZM合金外壳的加工主要是选用最适合的刀具材料，而如何选用则需要对材料特性进行仔细的分析，对硬质合金及各类切削材料的性能有深入的了解，并通过试切比对不同刀具材料配合相应切削参数，选出最适用的刀具牌号和切削参数。加工过程工艺路线的优化，也为该零件的加工提供了保证。

通过TZM合金的加工范例，拓宽了加工思路，掌握了试切方法。我所在以上加工经验的基础上，陆续完成了铌钨合金、钨铼合金等难加工材料的试制加工和定型生产。