孫玉民 王靖遠 郭 爽

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

外流道環(huán)作為典型薄壁機匣零件，由于其變形規(guī)律未知，如何控制加工變形是零件制造難題之一。

外流道環(huán)采用新材料屬于高溫合金，其在高溫條件下有一定高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力，且具有良好熱硬性，在切削過程中始終保持相當高強度，加工硬化速度快，使刀具表面產生嚴重劃痕，容易在切削過程中出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。同時合金中含有的金屬元素易與刀具產生物理、化學反應，使刀具上不斷出現(xiàn)冷焊、黏結、剝落過程，造成刀具后刀面剝落，導致刀具失效。該研究旨在尋找合理有效的加工方法，確定切實可行的工藝路線，進而降低加工成本，提高加工效率。

1 研究內容

某外流道環(huán)采用新型高溫合金材料鍛造成型，如圖1所示。該鍛造高溫合金的金屬切削性能較傳統(tǒng)高溫合金有較大的區(qū)別，如何在現(xiàn)有的工藝路線下高效、經(jīng)濟的生產出合格的機匣類零件，是該研究的重點。

圖1 外流道環(huán)模型

該研究以某高溫合金薄壁機匣類零件為載體，從走刀路線、切削方式、加工參數(shù)、刀具使用等方面研究適用于零件試制及批量生產的加工方法及工藝路線。

2 零件分析

零件材料硬度大、自身剛性差、結構復雜、被加工要素相對較多，并缺少相關加工經(jīng)驗用于該研究。同時嚴格要求零件加工周期。

3 技術方案驗證

3.1 設計協(xié)同階段

對零件圖紙進行拆分，查找相關加工難點及加工風險點：1）零件材料硬度大，現(xiàn)有刀具加工困難。零件材料為鍛造高溫合金，其機械加工性能差，刀具易崩刃，且易與合金中的元素發(fā)生反應，為保證零件能順利生產，需要進行不同廠家、不同規(guī)格、不同材質的刀具試驗。2）加工時因零件壁較薄，銑加工時徑向力大，易導致零件變形，因此須使用輔助支撐的專用工裝，減少銑加工帶來的應力變形情況，同時采用先進數(shù)控加工技術降低銑加工變形對零件的影響。3）部分尺寸結構特殊，常規(guī)方法無法測量。對于常規(guī)方法無法檢測的尺寸，選用三坐標測量，同時為保證生產周期需求，保證數(shù)控設備的尺寸，優(yōu)先選擇首末件檢查。對于個別工序中無法直接保證尺寸，可以通過尺寸鏈換算及適當縮嚴公差進行間接保證。

3.2 工藝試制階段

作為典型的薄壁機匣件，為保證零件尺寸合格，最重要的是控制零件變形，零件變形可以大概分為本身毛料的內應力以及加工中的應力變形2個方面。該零件毛坯為鍛造件，針對毛料本身內應力，通過加入半精車、半精銑工序，反復“烙餅式”加工，逐步釋放應力，并逐步消除工序的變形量，減小毛料內應力影響。

針對加工中產生的應力變形，從減小加工應力和控制應力對零件的影響方面開展工作，通過螺旋銑等先進加工方式減小產生的加工應力，通過車銑復合、輔助支撐來控制應力產生的影響。

3.2.1 工藝路線

根據(jù)對設計圖的分析及風險點的控制方案，制定某高溫合金機匣類零件工藝路線。具體工藝路線如下。

毛料圖表—粗車前端—粗車后端—穩(wěn)定處理—修基準—半精車前端—半精銑型面—去毛刺—半精車后端—精車前端—精銑型面及孔—標印—去毛刺—精車后端—線切割試件—銑花邊—鉆花邊孔—表面修整—洗滌—熒光檢查—洗滌—中間檢驗—電加工試件—線切割試件—電加工氣膜孔—表面修整—洗滌—最終檢驗—包裝入庫。

3.2.1.1 毛料

毛料為固溶處理狀態(tài)，并經(jīng)過粗加工超聲波探傷合格后交付，同最終交付狀態(tài)一致，無須進行時效處理等特殊過程。目前缺少該新材料機械加工經(jīng)驗，材料硬度HB≤293N/mm2，比常用的高溫合金硬度要低，初步判斷新材料加工難度要低于常用的高溫合金材料，具體切削性能須通過實驗確定。

3.2.1.2 穩(wěn)定處理

為防止零件后續(xù)加工變形，增加穩(wěn)定處理工序，降低粗車大余量加工產生的影響。穩(wěn)定處理后，零件圓跳由0.18mm變?yōu)?.3 mm，有效釋放了零件內應力。

3.2.1.3 半精加工

半精加工不涉及最終成型尺寸，且半精加工時零件壁厚較厚，剛性好，可不使用專用工裝加工，但因涉及半精銑去除外圓處凸臺余量，去除量較大，單邊最厚處去除量在7mm左右，因此考慮降低加工中應力，采用分層銑加工的方式，同時優(yōu)化刀路，提高去除余量時的加工效率。

3.2.1.4 精加工

精加工時因壁厚較薄，銑加工時徑向力大，易導致零件變形，因此需派制帶輔助支撐的專用工裝，減小銑加工帶來的應力變形，同時采用先進的數(shù)控加工技術降低銑加工變形的影響，零件變形會導致車銑接刀和壁厚尺寸不合格，考慮采用車銑復合加工方式來保證車銑加工的一致性。

3.2.1.5 電加工氣膜孔

因涉及電加工內容，為保證孔尺寸及表面質量，須試驗電加工參數(shù)，參照葉片和外環(huán)塊上通氣孔等檢測方式，提高檢測效率。并運用物理仿真對整體工藝路線進行分析，判斷工藝路線合理性。

3.2.2 應力仿真

對零件進行工序級工藝路線仿真分析，通過設置仿真環(huán)境，將殘余應力作為初始輸入條件，每道工序的仿真結果作為下一道工序的輸入條件，實現(xiàn)工藝路線的多工序連續(xù)仿真。根據(jù)仿真結果，統(tǒng)計各工序最大變形量和等效殘余應力。

圖2為物理仿真應力及變形趨勢圖，通過各工序變形量進行數(shù)據(jù)分析，變形量較大的工序為毛料圖表和穩(wěn)定處理以及粗車工序，粗車去除余量較大，變形也較大，熱處理后表面殘余應力逐漸變??；工序中應力集中的部位在車銑交接處，此處結構較薄，是工序中的薄弱部位；半精加工對于釋放加工應力起到一定的作用，減少了殘余應力和變形；銑花邊及鉆孔安排在精加工后，加工應力和變形量也顯著減少；通過物理仿真分析各工序加工余量的去除，理論分析零件的工藝路線和余量分安排是合理的[1]。

圖2 物理仿真應力及變形趨勢

仿真結果中，銑加工后應力增大，需要降低應力，且應力集中在車銑交接處的薄弱部位，可見輔助支撐方案和車銑符合加工方案的必要性。

綜上所述，為保證零件合格交付，同時為以后同類型、同材料零件加工提供理論及數(shù)據(jù)基礎，主要從以下4個方面開展工作。

3.2.3 輔助支撐夾具驗證

零件銑加工時，壁厚尺寸僅2.5 mm，零件銑加工去除率達44%，銑加工單邊余量7.5 mm，且加工余量基本全分布在零件外圓，零件徑向受力大，去除余量的部位會產生徑向變形。

針對零件徑向受力大問題，由于零件受力方向為從外圓指向內圓方向，所以使用有內圓輔助支撐的夾具。銑加工時，輔助支撐零件內圓，控制徑向加工應力對零件的變形影響，如圖3所示。

圖3 輔助支撐夾具

零件加工過程中，夾具實物無問題，裝夾、輔助支撐結構合理可行，加工后該工序尺寸全部合格，加工前后零件圓跳為0.2 mm、0.22 mm，基本無變化，按以往加工經(jīng)驗，如果無輔助支撐，該工序加工前后圓跳變化可高達0.15 mm，可見該夾具有效控制零件加工變形的作用。

3.2.4 車銑復合加工驗證

該零件外圓加工需要車、銑2種加工方式，根據(jù)以往加工經(jīng)驗，在數(shù)控車床進行精車加工后，在五坐標加工中心進行后續(xù)銑加工，但是由于車銑機床更換，需要重新裝夾找正過程，并且車加工后零件自身狀態(tài)改變，所以車銑加工一致性差，在車銑接刀處會產生高度不等的接刀痕，且外圓銑加工與內圓車加工壁厚存在超差風險。

針對上述問題，采用在車銑符合加工中心進行該零件精車及精銑工序加工的方法，保證車銑加工一致性，車銑過程中加工狀態(tài)一致，加工后零件壁厚尺寸合格，外圓處車銑接刀平滑轉接，接刀痕不明顯。

該零件有多組孔須加工，傳統(tǒng)鉆削工藝加工時主軸中心線速度為0，工件中心區(qū)域的材料完全依靠刀軸徑向推力將其擠出來去除，導致徑向受力極大，加劇零件變形。傳統(tǒng)鉆削工藝刀刃始終與零件接觸，切削液不易進入，刀削不易排出，散熱性差，加劇刀具磨損。傳統(tǒng)鉆削工藝加工過程需打點-鉆孔-擴孔-銑孔等過程才能加工完成，加工效率低。

相比之下，螺旋銑孔過程刀具中心軌跡是螺旋銑而非直線，刀具中心不再與孔中心重合，使加工時徑向受力大大減少。螺旋銑孔不再局限于刀具規(guī)格，一把刀即可加工多種尺寸孔，減少了加工刀具種類，降低加工成本，并提高了加工效率，加工靈活性更高，實現(xiàn)更高的自動化程度。螺旋銑孔有利于刀屑排除和切削液進入，可有效增加散熱，提高刀具壽命[2]。

對走刀路線進行優(yōu)化：1）在加工過程中，刀具橫向走刀路線比刀具縱向走刀路線加工效率要高，但表面質量相對較差，因此，綜合考慮，將加工刀路分為粗、精銑刀路。粗銑刀路使用橫向走刀方式加工，提高加工效率；精銑刀路使用縱向走刀方式加工，保證零件表面質量。2）優(yōu)化刀具下刀方式，垂直進刀方式會對底面產生徑向力，造成底面彎曲變形，加工中采用水平進刀方式，減小徑向受力。3）分層銑加工，加工過程中除粗、精銑分開加工外，還采用分層銑加工，單條程序加工不直接加工到位，而是全部型面逐層進刀，使加工應力均勻釋放，減小應力釋放造成的變形。

在車加工前端面時，因為上工序裝夾問題，所以導致端面余量大。編制無人干預程序，可以減少操作次數(shù)，傳統(tǒng)加工方式須操作者執(zhí)行上刀次數(shù)18次，優(yōu)化后程序只需執(zhí)行1次上刀和5次換刀片次數(shù)，大大降低了上刀時間及2次上刀間的等待時間。

3.2.5 氣膜孔檢測驗證

該零件側壁存在4組共1 988個Ф0.4 mm斜向氣膜孔，數(shù)量多，且傳統(tǒng)打表檢測方式檢測效率低。

同時，為了保證氣膜孔加工質量，加工前先通過電加工試件來驗證電加工參數(shù)的準確性。通過調節(jié)電加工參數(shù)，保證孔質量合格。通過試片驗證，最終采用加工電流為13 A、電壓160 V，脈寬1.6 us，脈間200 us，伺服40%參數(shù)進行加工。

對于氣膜孔的檢測方式，參考葉片制定引孔的檢測方式，在零件加工后，編寫檢測程序。用電極在原位置進刀，若尺寸有誤，則電極會與零件發(fā)生接觸從而報警，以此判斷氣膜孔位置是否正確。通過批產電加工零件進行檢測方式驗證。在批產零件高壓渦輪外環(huán)電加工后，采用標準樣件對比檢測，在機床上進行標準樣件檢測，合格后再用該方法進行驗證，無問題。同時使用報廢件加工超差孔后進行檢測，機床報警。驗證該檢測方式可行。通過實際應用，全部氣膜孔已檢測合格。

3.2.6 新材料加工參數(shù)驗證

從實際應用出發(fā)，優(yōu)先探索加工時切削速度（轉速）、進給量、切削深度3個主要控制變量。將其他因素的影響盡可能地降低，以此來凸顯新材料在不同加工參數(shù)組合中的表現(xiàn)。1）逐個工序分析加工特征、加工量和刀具，結合零件加工，安排切削試驗。研究新材料外流道環(huán)加工參數(shù)對切削性能的影響研究，加工過程中收集加工參數(shù)，記錄加工時間、零件跳動、表面質量、刀具磨損程度等加工數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。2）試驗參數(shù)選?。簠⒖棘F(xiàn)場實際切削高溫合金常用的切削參數(shù)，排除風險組合，以保證零件質量為前提，選擇較為合理的組合進行試驗。切削要素有轉速S、進給量f、切深ap、線速度vc。加工中，以切削鍛造高溫合金常用的切削參數(shù)：S=3040r/min，f=0.21mm/r，ap=0.20.4mm為出發(fā)點，適當向“高點”拓展范圍進行試驗[3]。3）過程記錄：在加工過程中及時記錄加工參數(shù)和零件質量，初步分析加工狀態(tài)，及時調整試驗方向，使試驗范圍滿足分析需求。4）數(shù)據(jù)分析：先根據(jù)零件加工效率和零件加工表面質量以及刀具狀態(tài)判定加工狀態(tài)。對不同切削速度、不同進給和不同切深條件下的零件表面加工質量進行評價，綜合加工效率，得出新材料的切削加工參數(shù)結論。

從上述參數(shù)可以看出，切削加工可選參數(shù)的范圍很大，而且切削速度明顯較高，可見該材料的加工性能很好，同現(xiàn)有高溫合金材料相比，該材料切削更為容易，加工效率更高，加工后表面狀態(tài)更好，刀具消耗小，加工成本更低。

綜合考慮質量、效率、加工成本等推薦如下加工參數(shù)。

4 結論

在對某高溫合金薄壁機匣類零件的相關研究中，可以得出以下結論：1）綜合優(yōu)化加工方法、工序余量、工藝圖樣等各因素，確保在現(xiàn)有工藝路線下零件的所有設計特性100%滿足設計圖要求。2）經(jīng)過大量模擬仿真、現(xiàn)場試驗，綜合考慮質量、效率、加工成本等因素。確定了較為合理的參數(shù)，確?，F(xiàn)有刀具能滿足現(xiàn)場批量加工生產要求。3）通過對夾具的優(yōu)化，工藝方法的調整，并綜合設備的產能，運用單人雙機、無人干預等方式，大幅度縮短加工周期，有效保證了該零件的交付進度。