李寶寧 鄒宇寧 韓 冰

（1.空裝駐沈陽(yáng)地區(qū)軍代表局，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

某后承力框架外環(huán)為新結(jié)構(gòu)零件，零件內(nèi)外型面各有12處安裝座，每處安裝座均有10處通孔（2處為精密孔），1處安裝座有1處通槽及6處螺紋孔，其余11處安裝座各有1處通孔及2處螺紋孔，前端有3處雙層凸耳，后端有9處花邊。零件材料為高溫合金，最大外圓直徑Φ1 210 mm，最小內(nèi)圓直徑Φ1 009 mm，總高354 mm，壁厚最薄處為7 mm。該零件為某發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪后機(jī)匣組件重要的承力零件之一。相對(duì)于其他承力框架組件，該類承力框架組件將后承力框架外環(huán)與內(nèi)承力環(huán)的連接方式由焊接結(jié)構(gòu)改為裝配結(jié)構(gòu)。支板結(jié)構(gòu)由梭型帶焊接坡口的結(jié)構(gòu)改為圓弧形過(guò)盈裝配的結(jié)構(gòu)。前安裝邊由單層安裝邊改為雙層安裝邊且?guī)苟?，后安裝邊由單層安裝邊改為花邊結(jié)構(gòu)。零件材料為高溫合金材料，材料硬、加工難度大。且粗加工后，因?yàn)橛袩崽幚砉ば?，所以零件仍有較大余量。尤其是銑前端花邊工序單邊余量為58.5 mm，且花邊上有6處雙層精密通孔。機(jī)匣外型面整體留有2 mm余量，且在每處安裝座均有2處精密孔，8處整流支板安裝孔以及連接支板的通孔及螺紋孔。安裝座厚度為15 mm。

1 零件結(jié)構(gòu)分析及加工背景

零件交付節(jié)點(diǎn)極為緊迫，要求所有精加工工序、熒光檢查、成品檢驗(yàn)及首件鑒定相關(guān)工作在1個(gè)月內(nèi)完成并入庫(kù)。由于無(wú)加工類似零件的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，且零件材料硬度大，所以零件加工效率低下，較難保證零件能夠按交付節(jié)點(diǎn)入庫(kù)。該類后承力框架外環(huán)由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及材料硬度大、交付節(jié)點(diǎn)緊，導(dǎo)致在加工過(guò)程中勢(shì)必存在很多加工難點(diǎn)，該文通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的深入剖析，合理優(yōu)化工藝路線，制作專用夾具，使用特殊刀具，并且優(yōu)化數(shù)控程序，以使后承力框架外環(huán)零件能夠高效率、高質(zhì)量交付，為今后其他類似結(jié)構(gòu)的機(jī)匣零件提供寶貴的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。圖1為零件模型局部示意圖。由于該零件結(jié)構(gòu)與同類零件截然不同。該零件直徑較大，粗加工并經(jīng)過(guò)熱處理后零件變形量大，零件前端止口尺寸Φ1047+0，120+0，186mm較難保證，零件壁厚尺寸（7±0.1）mm，由2道車工序以及2道銑工序共同保證，車銑接刀痕不能大于0.1 mm，較難加工，同時(shí)由于沒(méi)有加工過(guò)類似結(jié)構(gòu)的零件，因此現(xiàn)加工工藝不成熟。

圖1 零件模型局部示意圖

2 合理優(yōu)化工藝路線

零件宏觀結(jié)構(gòu)與某后承力框架外環(huán)類似，所以主要工藝路線借鑒原后承力框架外環(huán)的工藝路線。但由于該零件新增凸耳以及花邊結(jié)構(gòu)，因此增加銑前、后安裝邊花邊的工序。由于設(shè)備限制、裝夾方式等原因，因此在不影響零件質(zhì)量的情況下對(duì)工藝路線進(jìn)行合理優(yōu)化。1）將零件精銑內(nèi)型面工序調(diào)整至最后一道機(jī)加工序進(jìn)行加工。2）根據(jù)零件裝夾狀態(tài)以及所使用的夾具，允許鉆前安裝邊孔、銑花邊工序與鉆后安裝邊孔、銑花邊工序合并加工。

3 增派夾具并優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，保證零件加工穩(wěn)定性

由于高溫合金材料硬度大，銑前、后安裝邊花邊工序余量極大（單邊余量58.5 mm），根據(jù)零件其他后機(jī)匣組件（材料同為高溫合金）銑花邊經(jīng)驗(yàn)，只依靠壓板對(duì)零件進(jìn)行壓緊，零件角向存在較大的竄位風(fēng)險(xiǎn)，且該零件加工余量更大。針對(duì)材料硬度大，加工時(shí)，如果只依靠壓板壓緊，則在銑花邊過(guò)程中將會(huì)存在極大的角向竄動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此決定在銑花邊工序之前，在零件前安裝邊（雙層）的靠近鋁盤(pán)一側(cè)花邊，預(yù)鉆角向定位孔，相應(yīng)在2道工序的2個(gè)鋁盤(pán)上分別鉆2個(gè)銷孔，在進(jìn)行銑花邊工序時(shí)，須在零件和鋁盤(pán)之間插上銷孔，用于角向限位。具體方案為，在鋁盤(pán)A上使用Φ6 mm鉸刀進(jìn)行鉆孔，在鋁盤(pán)B上使用Φ7mm鉆頭進(jìn)行鉆孔。具體如圖2所示。

圖2 銑花邊工序夾具結(jié)構(gòu)及銷孔位置示意圖

零件加工工序中精車后端、精銑內(nèi)型面、精銑外型面、鉆后安裝邊孔、銑花邊（雙層安裝邊側(cè)靠近工作臺(tái)）為同種裝夾狀態(tài)；精車前端、鉆前安裝邊孔、銑花邊為同種裝夾狀態(tài)。考慮加工設(shè)備工作臺(tái)大小、自身結(jié)構(gòu)等限制，須使用鋁盤(pán)作為夾具進(jìn)行加工的工序?yàn)榫嚭蠖?、精銑?nèi)型面、精銑外型面、鉆后安裝邊孔、銑花邊、鉆前安裝邊孔和銑花邊。由于精銑內(nèi)型面工序2次加工設(shè)備不同，所需鋁盤(pán)也不同。鋁盤(pán)A的使用工序最多，而2臺(tái)零件均需要不落地加工，因此派制2套鋁盤(pán)A方能保證2臺(tái)零件同時(shí)不落地加工。由于五坐標(biāo)彎頭較大（直徑約為180 mm），而零件在加工時(shí)的程序最低點(diǎn)距離基準(zhǔn)A面為83.88 mm故，因此裝夾時(shí)不能在里側(cè)壓緊，只能在外側(cè)連零件帶鋁盤(pán)一起壓緊，且鋁盤(pán)內(nèi)側(cè)需車出一個(gè)不小于15mm的臺(tái)階，方能滿足該工序在五坐標(biāo)機(jī)床上的加工要求。

4 逐工序進(jìn)行加工提效

4.1 精車前端

陶瓷刀具是現(xiàn)代金屬在切削加工中的一種新型材料刀具。它能提高生產(chǎn)效率，并加工某些普通刀片所不能加工的超硬材料。其特點(diǎn)包括強(qiáng)度高、硬度高、紅硬性高以及耐磨性高，并具備優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)等。其切削加工效率為普通硬質(zhì)合金的3～9倍。在粗車端面、粗車內(nèi)圓以及粗車外圓工步使用表面粗糙度值R為6.3 μm陶瓷刀片進(jìn)行加工，轉(zhuǎn)數(shù)S=80 r/min，進(jìn)給F=0.18 mm/r，每層切深為0.4 mm。由于零件徑向的角向孔存在斷屑的情況，且材料硬度大，極大地增加了加工周期和刀具消耗。因此在粗加工時(shí)，先在角向孔位置增加粗扎槽程序去余量，再使用R為1.6mm的篦齒刀片進(jìn)行精車工序[1]。該工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為204 h，經(jīng)優(yōu)化后，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為112 d，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為111 h，加工效率提升82%。

4.2 精車后端

在粗車端面、粗車內(nèi)圓、粗車外圓工步使用表面粗糙度值R為6.3μm的陶瓷刀片進(jìn)行加工，轉(zhuǎn)數(shù)S=80 r/min，進(jìn)給F=0.18 mm/r，每層切深為0.4 mm。該工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為40h，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為28 h，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為26 h，加工效率提升48%。

4.3 精銑外型面

4.3.1 R參數(shù)編程

“R”參數(shù)編程是變量編程的一部分，合理利用“R”參數(shù)編程，可以有效簡(jiǎn)化程序，提高程序的手工編制能力，提高加工效率。借助于變量編程可以使程序更加靈活簡(jiǎn)便，容易修改。其最大的優(yōu)點(diǎn)是將有規(guī)律的尺寸變化，用最短的程序段表示出來(lái)。復(fù)雜零件在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，可靠且穩(wěn)定的加工程序常常成為提高零件加工質(zhì)量和效率的重要手段。機(jī)匣外型面共有12處安裝座，整體加工余量為2 mm，材料硬度大，下屑量大，常規(guī)編程方式為所有安裝座的每個(gè)部位編一條程序。該種編程方式程序數(shù)量多，不夠直觀。因此將安裝座周邊以及安裝座表面的UG軟件操作改為固定軸操作（不轉(zhuǎn)C軸），再采用R參數(shù)編程，為安裝座的每個(gè)部位編制程序，且清晰直觀，方便現(xiàn)場(chǎng)加工[2]。（R1=0時(shí)，加工第1個(gè)安裝座；R1=11時(shí)加工第12個(gè)安裝座）。

4.3.2 φ12.5 mm孔改為螺旋銑方案

在加工φ12.5 mm孔時(shí)，原定優(yōu)化方案為使用φ12.55 mm改磨銑刀加工，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該孔深度較深（15 mm），在加工時(shí)存在喇叭孔問(wèn)題須多次光整才能夠合格，加工效率低。因此改為使用φ10 mm銑刀螺旋銑，加輪廓編程的方式進(jìn)行加工。

4.3.3 方槽加工改為螺旋銑

在加工方形通槽時(shí)，原定優(yōu)化方案為使用φ9 mm鉆頭去四角余量，再使用螺旋銑加工。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，四角鉆孔時(shí)鉆頭顫動(dòng)大，容易與直邊發(fā)生接刀。且鉆孔時(shí)間較長(zhǎng)，與預(yù)期效果相差較遠(yuǎn)。采用直接螺旋銑刀心編程的方式，單邊留0.3 mm余量，再使用輪廓編程進(jìn)行精加工。解決了四角接刀殘留問(wèn)題。提升一次加工合格率。

4.3.4 M6螺紋孔改用機(jī)攻螺紋

零件機(jī)體上共有28處M6螺紋孔，均為通孔且孔深15mm，材料硬度大如采用傳統(tǒng)的銑螺紋方式，則會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，加工完成后孔會(huì)變形，后續(xù)還需使用絲錐手工，大大增加了零件的加工周期。經(jīng)與技能專家及數(shù)控團(tuán)隊(duì)討論，決定借鑒相似零件加工經(jīng)驗(yàn)，采用機(jī)攻螺方式進(jìn)行加工。應(yīng)用西門子系統(tǒng)自帶的CYCLE84指令加工螺紋（如圖3所示）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證，效果良好，絲錐未折且螺紋孔全部加工合格。后續(xù)螺紋孔無(wú)變形，無(wú)手攻螺紋的情況發(fā)生。該工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為504h，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為360 h，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為355h，加工效率提升41%。

圖3 CYCLE84主要參數(shù)注釋

4.4 鉆后安裝邊孔、銑花邊

鉆后安裝邊孔、銑花邊工序加工內(nèi)容為銑花邊及鉆孔，分別為96處φ7 mm孔以及27處φ6.5 mm孔，以及余量較小的花邊（單邊余量為16 mm），加工方法為常規(guī)的鉆、擴(kuò)、鉸以及在Z向分層加工花邊（分粗銑、精銑，粗銑給粗銑留0.3mm余量）。該工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為46 h，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為42 h，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為40 h，加工效率提升12%。

4.5 鉆前安裝邊孔、銑花邊

鉆前安裝邊孔、銑花邊工序銑花邊工步加工余量極大（單邊余量58 mm），且材料硬度大、難加工，耳片上分布6處φ30 mm雙層通孔，72處螺紋孔，96處φ8.5 mm一般孔?？傮w看，加工難度大，正常加工周期一般在18 d左右。

4.5.1 銑花邊優(yōu)化

針對(duì)花邊余量大的問(wèn)題，采用了在Y向分層代替Z向分層的方法，第一層使用φ10 mm銑刀（懸長(zhǎng)要求夾到最短）按輪廓編程的方式加工，直徑尺寸按下差加工。第二層使用φ20mm銑刀（懸長(zhǎng)要求60 mm），同樣按輪廓編程方式加工，只加工到上差。該種加工方式巧妙地將余量分布轉(zhuǎn)移為縱向安裝邊厚度，且避免了加工下層時(shí)，上層由于讓刀產(chǎn)生掛蹭刀桿的問(wèn)題。

4.5.2 φ30 mm精孔加工方式優(yōu)化

4.5.3 72處螺紋孔加工方式優(yōu)化

使用M6機(jī)攻絲錐進(jìn)行機(jī)攻螺紋，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，具體程序如下。

通過(guò)對(duì)以上3處加工內(nèi)容的優(yōu)化，鉆前安裝邊孔、銑花邊工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為456 h，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為96 h，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為93 h，加工效率提升383%。

4.6 精銑內(nèi)型面

該工序加工內(nèi)容為銑加工內(nèi)型面大面，按照傳統(tǒng)加工方式，使用φ20 mm球刀加工，仿真時(shí)間為7.5 d，加工周期極長(zhǎng)。經(jīng)研究，決定使用φ20 mm R6.5銑刀進(jìn)行加工，在表面殘余高度保持不變（即0.003 mm）時(shí)，刀軌密度比φ20mm球刀的刀軌減少極多。仿真時(shí)間縮短至17h即理論加工時(shí)間縮短至未優(yōu)化前的9.5%。

經(jīng)分析，使用球刀加工時(shí)，刀具切削的位置始終是球面理論的最高點(diǎn)，在加工面面積較大時(shí)，刀軌就會(huì)極為密集。而φ20 mm R6.5銑刀與零件面為面接觸，因此刀軌密度較球刀刀軌稀疏。雖然刀具與加工面為面接觸，但加工面直徑較刀具直徑大極多，零件表面殘留極少，可忽略不計(jì)（經(jīng)計(jì)算殘留僅為0.012 mm）。精銑工序預(yù)計(jì)加工時(shí)間為181 h，第一臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為19 h，第二臺(tái)實(shí)際加工時(shí)間為22 h，加工效率提升783%。

5 技術(shù)方案驗(yàn)證

5.1 優(yōu)化前、后加工時(shí)間對(duì)比及統(tǒng)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，收集優(yōu)化后2臺(tái)份零件加工時(shí)間與優(yōu)化前加工時(shí)間對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后實(shí)際加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，未優(yōu)化前的理論加工時(shí)間為1 431 h，經(jīng)優(yōu)化后第一臺(tái)加工時(shí)間為657 h，第二臺(tái)加工時(shí)間為647 h。加工時(shí)間縮短了774 h～784 h，極大地提升了加工效率，滿足了生產(chǎn)需求。

5.2 優(yōu)化過(guò)程作用的加工技術(shù)

在具體優(yōu)化過(guò)程中，運(yùn)用了多種先進(jìn)加工技術(shù)，例如No.55精車前端工序，運(yùn)用了陶瓷刀片應(yīng)用技術(shù)以及斷屑車加工技術(shù)；No.60精車后端工序，運(yùn)用了陶瓷刀片應(yīng)用技術(shù)；在對(duì)NO.75精銑外型面的處理中，運(yùn)用了R參數(shù)編程和機(jī)攻螺紋、螺旋銑技術(shù)；對(duì)NO.80的鉆前安裝邊孔、銑花邊的加工工序，采用大余量花邊的銑削技術(shù)、機(jī)攻螺紋、螺旋銑技術(shù)；對(duì)NO.85鉆后安裝邊孔、銑花邊的加工工序，采用較大余量花邊的銑削技術(shù)。精加工效率提升2倍多，加工周期較優(yōu)化前的仿真時(shí)間縮短至少30 d。同時(shí)也積累了較寶貴的加工經(jīng)驗(yàn)具體如下：1）為后續(xù)陶瓷刀片在加工高溫合金材料方面積累了加工經(jīng)驗(yàn)[3]。2）為機(jī)攻螺紋在高溫合金材料的深孔、淺孔的加工積累了經(jīng)驗(yàn)。3）為大余量花邊的加工方法提供了加工經(jīng)驗(yàn)。4）為后續(xù)的內(nèi)型面銑削時(shí)的刀具選擇提供了加工經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

該文以某后承力框架外環(huán)為加工載體，對(duì)所有精加工工序進(jìn)行逐步分析，總結(jié)加工難點(diǎn)，提出解決方案。優(yōu)化方案分別從工藝路線、工裝夾具、刀具選擇和走刀路線等多個(gè)方面進(jìn)行全方位的論證。通過(guò)細(xì)致地分析、討論和優(yōu)化，最終擬定出一套切實(shí)可行的優(yōu)化方案，最終保證了零件合格交付。滿足裝配要求并有效地提高零件的加工效率，大大縮短了零件的加工周期，為以后類似結(jié)構(gòu)、材料零件的順利加工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。