某復(fù)雜鈦合金機(jī)匣是一種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要承力部件。機(jī)匣內(nèi)腔復(fù)雜大支板兩端的精密斜軸承孔，主要功能是安裝軸承，支撐錐齒輪軸組件旋轉(zhuǎn)傳遞扭矩，是該零件精度最高、加工難度最大的部位，它的加工精度高低直接關(guān)系到整臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。
該機(jī)匣為大型整體鑄造鈦合金機(jī)匣（圖 1），具有尺寸大，壁薄易變形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。零件材料為鑄造鈦合金 ZTC4，具有較優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和硬度，是典型的難加工材料，主要表現(xiàn)為：加工時(shí)刀、屑接觸面積小、應(yīng)力大，溫度高，刀具粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損嚴(yán)重[1]。兩處精密斜軸承孔尺寸精度、形位要求及表面質(zhì)量要求極高，直徑公差 0.015，圓柱度 0.005，同軸度 0.01，垂直度 0.01，表面粗糙度 Ra0.4 ～ 0.8（圖2）。為了保證軸承孔加工質(zhì)量，必須滿足以下加工條件：零件裝夾剛度好，機(jī)床定位精度高，刀具切削剛性好，最好能夠采用磨削或精密高速車削加工。
兩處軸承孔處于復(fù)雜狹窄異型支板腔內(nèi)，軸線與基準(zhǔn)平面成 18°夾角（圖 2），受零件結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法進(jìn)行磨削和車削，軸承孔加工精度不易保證。本文針對(duì)該機(jī)匣精密斜軸承孔復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，分析制定了角度頭五軸加工、大長(zhǎng)徑比刀具一次裝夾加工的方案開(kāi)展試驗(yàn)研究，系統(tǒng)性的闡述了一種復(fù)雜精密斜軸承孔的加工方法。
1.30# 軸承孔 2.30# 軸承孔內(nèi)端面 3.29# 軸承孔 4.29# 軸承孔內(nèi)端面
圖 1 某鈦合金機(jī)匣
1 、確定加工方案
通常航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上的軸承孔平行或垂直于機(jī)匣安裝面，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不存在刀具柄部干涉問(wèn)題，可采用精密臥式或立式加工中心加工，工件系統(tǒng)具有良好的切削剛性。而本文所述的機(jī)匣精密斜軸承孔為一種新型的軸承孔結(jié)構(gòu)形式，軸線與基準(zhǔn)平面成 18°夾角并處于復(fù)雜狹窄異型支板腔內(nèi)，不適宜采用一般的軸承孔加工方法，需進(jìn)一步分析研究加工方案。
兩處斜軸承孔分別與某錐齒輪軸兩端的 29# 軸承外環(huán)、30# 軸承外環(huán)配合，其中 29# 軸承孔（圖 2）可采用一般五軸加工中心加工，刀具懸伸長(zhǎng)度較短，具有較好的加工剛性，加工難度較低。30# 軸承孔軸線與機(jī)匣端面最小間距為 21.5 mm（圖 2），若采用一般五軸機(jī)床加工，刀桿直徑應(yīng)小于 Φ40 mm 以避開(kāi)端面干涉，同時(shí)懸伸長(zhǎng)度接近 310 mm，刀桿長(zhǎng)徑比大于 7mm，加工振動(dòng)大，同類長(zhǎng)徑比鏜刀主要用于加工鋁鎂零件。綜合考慮精密軸承孔加工的經(jīng)濟(jì)性和可行性，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，擬定了角度頭五軸加工和大長(zhǎng)徑比刀具五軸一次裝夾加工兩種方案分別進(jìn)行試驗(yàn)研究。
圖 2 機(jī)匣精密斜軸承孔示意圖
1.1 角度頭五軸加工
角度頭是數(shù)控加工中連接數(shù)控機(jī)床主軸和刀具的一種特殊刀柄，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一次性裝夾多工序加工[2，3]。數(shù)控機(jī)床安裝角度頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線與主軸中心線成角度加工工件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，增大機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性[4，5]。30# 軸承孔處于機(jī)匣狹窄內(nèi)腔，首先考慮采用配置角度頭的五軸加工中心加工（如圖3），它的優(yōu)勢(shì)在于可以有效避讓機(jī)匣狹窄內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)干涉，不用定制價(jià)格高昂的加長(zhǎng)刀具，降低了加工成本，且加工時(shí)刀具懸長(zhǎng)較短，理論上應(yīng)具有良好的加工剛性。
圖 3 角度頭加工示意圖
但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)采用角度頭加工存在以下問(wèn)題：
（1）由于機(jī)匣內(nèi)腔狹窄，且有多處凸臺(tái)干涉，只能選取較小規(guī)格的角度頭加工，但小型角度頭剛性較差，容易振刀，不適宜加工精密孔。
（2）角度頭加工精度不是很高，除了考慮零件裝夾找正誤差、機(jī)床工作臺(tái)或主軸重復(fù)定位誤差等因素，還需要考慮角度頭的定位誤差，多重誤差累積，導(dǎo)致加工精度下降。
（3）該角度頭一般安裝在立式五軸加工中心上，采用角度頭加工完 30# 軸承孔后，一般的五軸加工中心不能實(shí)現(xiàn)在一次裝夾的情況下完成 29# 軸承孔的加工，必須掉頭重新裝夾或更換加工設(shè)備，重復(fù)裝夾找正誤差大，不利于保證兩軸承孔的同軸度要求。
1.2 大長(zhǎng)徑比刀具五軸一次裝夾加工
1.2.1 加工前準(zhǔn)備
為了實(shí)現(xiàn) 29# 軸承孔、30# 軸承孔一次裝夾加工，必須選用各坐標(biāo)軸（X、Y、Z、A 軸）行程足夠大的精密臥式五軸加工中心。專用夾具應(yīng)墊高確保加工29# 軸承孔時(shí)機(jī)床刀座不觸碰工作臺(tái)。并且為了最大程度提高零件裝夾系統(tǒng)剛性，減小切削振顫，對(duì)機(jī)匣環(huán)腔進(jìn)行了灌蠟處理。另外，由于加工軸承孔時(shí)刀具避開(kāi)干涉后懸伸長(zhǎng)度較大，銑削加工徑向切削力大，加工振刀嚴(yán)重，采用鏜削加工會(huì)更有利于保證軸承孔的位置精度。經(jīng)過(guò)招標(biāo)比質(zhì)比價(jià)，選用了一款長(zhǎng)徑比較大的進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)鏜刀（圖 4）進(jìn)行一次裝夾鏜削加工試驗(yàn)。
圖 4 進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)鏜刀
1.2.2 加工步驟
（1）粗鏜去余量：首先采用雙刃鏜削刀具粗加工軸承孔。雙刃鏜刀剛性較好，雙刃切削金屬去除率較高，在大長(zhǎng)徑比刀具的大余量切削加工中，雙刃鏜刀切削穩(wěn)定性和效率明顯優(yōu)于單刃鏜刀，粗加工后孔壁與內(nèi)端面單邊留余量約 0.1 mm 用于精加工。
（2）精加工軸承孔內(nèi)端面：軸承孔內(nèi)端面為精密配合面，精度要求很高，內(nèi)端面與孔垂直度要求0.01，表面粗糙度 Ra0.8（圖 2）。精加工時(shí)若采用鏜刀一次加工軸承孔孔壁與內(nèi)端面，由于鏜刀片角度一般略小于 90°，不能滿足端面垂直度要求，同時(shí)該端面徑向?qū)挾燃s 4 mm，加工時(shí)刀具切削刃接觸面大，易振動(dòng)，即使制造 90°非標(biāo)鏜刀片也無(wú)法保證加工精度。由此采用加長(zhǎng)三面刃銑刀銑削軸承孔內(nèi)端面，采用該方案加工，內(nèi)端面與孔垂直度 0.01 基本可以滿足要求，但 30# 軸承孔內(nèi)端面上存在輕微振紋，表面質(zhì)量略有不足。
（3）精鏜軸承孔：采用加長(zhǎng)單刃精鏜刀精加工軸承孔（圖 4）。單刃鏜刀僅一個(gè)切削刃繞中心旋轉(zhuǎn)切削，切削刃與零件所有觸點(diǎn)處于至中心等距的旋轉(zhuǎn)圓周上，加工一致性好，有利于提高軸承孔尺寸精度和形位精度，而雙刃鏜刀兩刃高度存在細(xì)微差異，在進(jìn)行小切深的精密加工時(shí)切削穩(wěn)定性不如單刃鏜刀。通過(guò)調(diào)試優(yōu)化加工參數(shù)，基本可以保證軸承孔直徑尺寸及其同軸度、輪廓度要求，但 30# 軸承孔孔壁表面存在輕微振紋，表面質(zhì)量略有不足。另外，兩處軸承孔由于結(jié)構(gòu)限制，加工時(shí)所采用的鏜刀、三面刃型銑刀在進(jìn)刀和退刀時(shí)，均須抬刀繞行或主軸定向進(jìn)刀以避開(kāi)干涉。
1.3 方案對(duì)比
通過(guò)對(duì)以上兩種加工方案進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用配置角度頭的設(shè)備加工，雖然刀具成本較低，但是角度頭加工精度不足，剛性差，加工振動(dòng)大，軸承孔的同軸度、輪廓度等各項(xiàng)技術(shù)要求均無(wú)法滿足，受限于角度頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該方案能改進(jìn)優(yōu)化的空間很小。而大長(zhǎng)徑比刀具五軸一次裝夾加工的方案基本可以滿足軸承孔各項(xiàng)技術(shù)要求，可行性很高。但是此方案仍有不足，必須進(jìn)行一系列工藝試驗(yàn)，解決加工振顫的不良因素，進(jìn)一步提高軸承孔加工質(zhì)量。
2 、軸承孔五軸加工工藝優(yōu)化試驗(yàn)探究
軸承孔五軸加工工藝優(yōu)化試驗(yàn)主要從切削策略、參數(shù)優(yōu)化及減振刀具加工兩方面進(jìn)行了分析研究，旨在解決加工振顫，提高軸承孔加工質(zhì)量。其中，29# 軸承孔加工時(shí)刀具懸伸長(zhǎng)度不大，采用上述方案即可保證相應(yīng)技術(shù)要求，后文僅針對(duì) 30# 軸承孔進(jìn)行工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究。
2.1 切削策略、參數(shù)優(yōu)化
2.1.1 軸承孔內(nèi)端面銑削策略、參數(shù)優(yōu)化
采用加長(zhǎng)三面刃銑刀精加工軸承孔內(nèi)端面時(shí)，對(duì)切削策略和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：
（1）采用小切深銑削法，盡量降低切削力，避免切削振動(dòng)，粗加工后端面余量?jī)H預(yù)留 0.1 mm 進(jìn)行精銑。
（2）選用三角形刀片加工，三角形刀片僅刃尖進(jìn)行切削，刃尖非常鋒利，切削力小。
（3）刀具銑削軌跡外形直徑應(yīng)略小于孔壁直徑，刀刃不觸碰孔壁，以免端面與孔壁同時(shí)切削使切削抗力增大產(chǎn)生振刀，影響加工精度。
（4）直徑方向不能進(jìn)行分層銑削，防止出現(xiàn)接刀紋影響表面質(zhì)量。
由于軸承孔內(nèi)端面銑削主要產(chǎn)生徑向切削力，普通加長(zhǎng)銑刀剛性較差，優(yōu)化切削策略后加工表面依然有輕微振紋，調(diào)試切削參數(shù)加工后表面質(zhì)量雖有一定改善，但仍無(wú)法完全解決這個(gè)問(wèn)題。
2.1.2 軸承孔精鏜參數(shù)優(yōu)化
在精鏜 30# 軸承孔時(shí)，采用加長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)精鏜刀，刀具長(zhǎng)徑比大，加工振動(dòng)較大，孔壁表面存在輕微振紋，通過(guò)對(duì)刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、切深等切削參數(shù)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)優(yōu)化（見(jiàn)表 1），軸承孔加工質(zhì)量取得了顯著改善。
由表 1 可以看出，只有采用低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給，才能減少或消除加工表面的振刀紋，提高軸承孔表面質(zhì)量；切深對(duì)表面質(zhì)量影響不太大，切深較小時(shí)，表面質(zhì)量稍好。其中，轉(zhuǎn)速是對(duì)加工振動(dòng)影響最大的因素，轉(zhuǎn)速越高，刀具徑向切削力越大，加工振動(dòng)越大。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)效果，最終選定切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速 25r/min，進(jìn)給 0.4 mm/min，切深 0.05 mm，軸承孔表面加工質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)圖要求。
同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給太小時(shí)，軸承孔垂直度、圓柱度等技術(shù)要求不穩(wěn)定。分析認(rèn)為，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著刀具進(jìn)給增大，單位時(shí)間內(nèi)刀具軸向切削深度相應(yīng)增大，主軸軸向切削力增大，制約刀具徑向擺動(dòng)的摩擦阻力增加，刀具切削振顫幅度反而減小，軸承孔形位精度提高。
通過(guò)調(diào)試優(yōu)化加工參數(shù)，軸承孔內(nèi)端面仍存在輕微振紋，孔壁表面質(zhì)量基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但軸承孔圓柱度、垂直度等要求不穩(wěn)定。因此，需要進(jìn)一步試驗(yàn)，采取措施提升刀具剛度，減小切削振顫，保證軸承孔所有技術(shù)要求和表面質(zhì)量。
2.2 減振刀具加工
2.2.1 重金屬合金轉(zhuǎn)接桿銑刀精銑軸承孔內(nèi)端面
加工 30# 軸承孔內(nèi)端面時(shí)，刀具長(zhǎng)徑比大，銑刀若安裝一般轉(zhuǎn)接桿，加工時(shí)振刀嚴(yán)重，即使對(duì)切削策略和參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，也無(wú)法完全消除切削振顫，因此選用了一種重金屬合金轉(zhuǎn)接桿的三面刃銑刀進(jìn)行加工，該刀具剛性更強(qiáng)，切削振顫小，有效避免了切削振紋的產(chǎn)生，即使在進(jìn)行大懸伸加工時(shí)，也可以保證加工的穩(wěn)定性，零件表面質(zhì)量較好，垂直度要求合格。見(jiàn)圖 5。
圖 5 重合金轉(zhuǎn)接桿三面刃銑刀
2.2.2 高精度減振鏜刀加工軸承孔
通過(guò)試驗(yàn)分析，采用大長(zhǎng)徑比刀具五軸一次裝夾鏜削加工兩軸承孔的方案具有較高可行性。但目前采用一般鏜刀精加工軸承孔，切削參數(shù)在經(jīng)過(guò)大量調(diào)試優(yōu)化后，軸承孔的表面質(zhì)量、圓柱度、垂直度仍不能同時(shí)達(dá)到最理想的要求。由于在深孔和高速的加工過(guò)程中，鏜桿簡(jiǎn)化為細(xì)長(zhǎng)懸臂梁結(jié)構(gòu)，特別是大長(zhǎng)徑比鏜桿，因?yàn)殓M桿的懸伸過(guò)長(zhǎng)引起剛度不足，使鏜桿容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度[6]。通常情況下，鏜削過(guò)程中的一般鏜桿，在長(zhǎng)徑比（L/D）大于 4 時(shí)，比較容易產(chǎn)生振動(dòng)，這是由于鏜桿剛度不夠?qū)е碌?，并且長(zhǎng)徑比越大，振動(dòng)幅度愈大，當(dāng)鏜桿長(zhǎng)徑比為 10時(shí)，機(jī)械加工過(guò)程中所產(chǎn)生的變形量，是長(zhǎng)徑比達(dá)到4 時(shí)的 16 倍[7]。加工 30# 精密軸承孔的鏜桿長(zhǎng)徑比約為 7，同時(shí)鈦合金材料具有較優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和硬度，是典型的難加工材料，切削性能差，切削抗力大，進(jìn)一步加劇了鏜削過(guò)程中的刀具振動(dòng)，零件形位要求和表面質(zhì)量難以保證。因此必須考慮使用具有減振功能的刀具，通過(guò)引進(jìn)多家國(guó)外刀具品牌的減振鏜刀技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選用了山特維克一款高精度減振鏜刀（圖 6）對(duì)軸承孔進(jìn)行加工試驗(yàn)。
圖 6 減振鏜刀加工軸承孔示意圖
減振鏜刀主要通過(guò)阻尼減振的方式，提高刀桿的動(dòng)剛度，減小刀具徑向跳動(dòng)量，從而提高軸承孔表面加工質(zhì)量。試驗(yàn)過(guò)程中，綜合考慮零件材料的切削性能、加工技術(shù)要求、刀具本身的減振效果、刀具壽命、讓刀等因素，對(duì)減振鏜刀切削參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試優(yōu)化。
（1）切削深度：一般來(lái)說(shuō)，切削深度應(yīng)略大于刀尖圓角，加工時(shí)尺寸更穩(wěn)定，以免在刀片圓角上切削時(shí)，切削部位主、副偏角不穩(wěn)定，對(duì)讓刀量大小產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致尺寸加工不穩(wěn)定。但由此選用的切削深度相對(duì)較大，在進(jìn)行精加工時(shí)，切削深度過(guò)大，切削阻力增加，讓刀量增加，不利于保證尺寸精度，一般精加工切深選擇 0.1 ～ 0.2 mm。同時(shí)減振鏜刀是彈性結(jié)構(gòu)，刀桿靜態(tài)剛性不佳，切削讓刀現(xiàn)象更為突顯，切深 0.2 mm 時(shí)，讓刀量約為 0.03 ～ 0.04 mm；切深 0.1 mm 時(shí)，讓刀量約為 0.01 ～ 0.02 mm。因此，為了更好的保證尺寸精度，進(jìn)刀時(shí)應(yīng)根據(jù)切深適當(dāng)補(bǔ)償讓刀量，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)摸索，給定切深為 0.1 mm，并預(yù)留約 0.02 ～ 0.03 mm 余量，加工后測(cè)量孔徑計(jì)算實(shí)際余量，補(bǔ)償?shù)毒呒庸ぶ磷罱K尺寸，刀補(bǔ)值等于實(shí)際余量減去上一次切削時(shí)的讓刀量，避免因上一次切削讓刀回彈導(dǎo)致尺寸超差，切深 0.1 mm 時(shí)刀具讓刀略大于 0.01 mm，同時(shí)最后精修時(shí)也會(huì)產(chǎn)生輕微讓刀，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終刀補(bǔ)值為實(shí)際余量減去 0.01mm 讓刀量即可保證孔徑尺寸要求。
（2）線速度：線速度是影響減振鏜刀加工振動(dòng)的最重要因素，線速度過(guò)大或過(guò)小，均可能引起切削振顫，根據(jù)山特維克多年的減振鏜刀加工經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)摸索，切削鈦合金材料線速度一般選用 40 ～ 80 m/min最佳，結(jié)合零件材料 ZTC4 的切削性能，經(jīng)調(diào)試，最終給定線速度為 50 m/min，采用這一切削參數(shù)無(wú)加工振顫現(xiàn)象（圖 7）。
（3）每轉(zhuǎn)進(jìn)給 f：根據(jù)表面粗糙度計(jì)算公式Ra = f 2 × 1000/（R × 8），在保證粗糙度要求 0.4 的前提下可計(jì)算求得 f 值，從公式中可以看出，粗糙度與每轉(zhuǎn)進(jìn)給成正比，與刀尖圓角成反比，在精密尺寸的實(shí)際加工中，為了減小切削力，提高切削穩(wěn)定性，需盡可能保證刀片的鋒利度，由此選用 R0.2 精車刀片，通過(guò)上述公式計(jì)算可得：f =（Ra × R × 8/1000）1/2 =（0.4 × 10-6 × 0.2 ×8/1000）1/2 = 0.025 3 × 10-3m為了保證粗糙度合格，選擇的每轉(zhuǎn)進(jìn)給 f 應(yīng)不大于 0.025 3 mm，但是切削時(shí)若進(jìn)給量太小，會(huì)加速刀具涂層磨損速度，降低刀具壽命，影響尺寸加工精度，因此，最終給定每轉(zhuǎn)進(jìn)給 f 為 0.025 mm；采用這一切削參數(shù)加工，軸承孔表面質(zhì)量可以達(dá)到理想效果（圖 7）。
圖 7 減振鏜刀加工的軸承孔
采用大長(zhǎng)徑比高精度減振刀具在大行程臥式五軸加工中心一次裝夾加工機(jī)匣兩精密斜軸承孔，由于減小甚至基本消除了加工振動(dòng)，切削穩(wěn)定性好，相對(duì)于采用一般加長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)鏜刀加工，軸承孔表面質(zhì)量及其同軸度、垂直度等形位要求也有極大提高，軸承孔加工精度和表面質(zhì)量基本滿足了設(shè)計(jì)要求。
3、 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)一種復(fù)雜精密斜軸承孔進(jìn)行加工試驗(yàn)分析，確定了采用大長(zhǎng)徑比減振刀具在大行程臥式五軸加工中心一次裝夾加工的工藝方案，兩軸承孔加工精度基本滿足了設(shè)計(jì)要求。采用上述方案加工的機(jī)匣軸承孔，錐齒輪軸裝配效果良好，順利通過(guò)了300 h 長(zhǎng)期試車考核，未發(fā)生錐齒輪軸裂紋等現(xiàn)象。