某航空發(fā)動機高硬度薄壁異形環(huán)形件加工技術

賴道輝，丁博，劉軍，薛刊，甘國榮

1. 廣西科技師范學院職業(yè)技術教育學院 廣西來賓 546199 2. 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 110042

1 序言

近年來，隨著航空發(fā)動機的設計結構及性能的不斷改進和提升，環(huán)形結構類的機匣零件作為航空發(fā)動機重要的組成部分，其制造材料和結構也發(fā)生了很大的改變，結構設計也越來越先進。環(huán)形零件一般是一個圓柱形或圓錐形薄壁筒體，具有壁厚薄、直徑大、剛度差、尺寸精度高以及強度高等特征，加工時從毛坯到零件加工完成，材料切除率高達90%以上[1，2]。這些特點給環(huán)形件加工質(zhì)量和加工效率帶來了巨大的挑戰(zhàn)，存在加工時變形大、裝夾困難、刀具磨損嚴重、加工周期長及自由狀態(tài)下圓度差等問題，從而影響發(fā)動機的裝配以及整機性能[3]。

針對航空發(fā)動機薄壁環(huán)形結構類零件加工過程的變形，國內(nèi)外諸多學者對其進行了研究，取得了相應的成果[4-9]，研究表明薄壁結構類零件，在切削加工過程中隨著材料去除，剛度逐漸減弱，剛度不足引起的加工變形是影響尺寸精度的主要原因。另外，夾具裝夾不當或夾具設計不合理也會引起加工變形，這是由于零件剛度較差，裝夾時產(chǎn)生的裝夾力導致零件端面的平面度變差以及薄壁處變形。此外，切削力也是造成薄壁零件變形的一個因素，切削加工時由于零件剛度不足，在切削力作用下產(chǎn)生彈性讓刀變形，主要發(fā)生在薄壁處，表現(xiàn)為圓跳動量過大。最后，去除材料后產(chǎn)生的殘余應力釋放也會造成一定的變形，這是由于零件加工過程中，原本平衡的初始內(nèi)應力狀態(tài)遭到破壞，因此需要通過協(xié)調(diào)變形達到內(nèi)應力新的平衡。

以上的研究成果大多數(shù)研究集中在具有規(guī)則的外形結構的薄壁零件，結構相對簡單，但對于薄壁高硬度異形環(huán)形件的研究相對較少。因此，本研究根據(jù)某航空發(fā)動機的薄壁異形零件的結構特點，從工藝路線、設計工裝夾具和數(shù)控程序等多方面開展工作，以控制零件變形，來解決剛度不足引起的加工困難問題，最終通過加工實踐來驗證零件的加工精度和加工效率，為類似高硬度的薄壁異形零件加工提供參考。

2 安裝環(huán)結構及工藝性分析

2.1 零件結構特征分析

某薄壁異形環(huán)形零件尺寸外廓φ515m m×φ330m m×30m m，零件形狀十分復雜，類似于“Z”字形草帽結構，剖視圖如圖1所示。該零件的結構設計要求、制造要點及難點分析如下所述。

圖1 零件的剖視

1）該零件的材料為M S R R 7115，屬于鎳基高溫合金，具有較高的高溫強度和硬度，維氏硬度達到470HV，是一種典型的難加工材料[10]。該零件采用環(huán)鍛件毛坯進行加工，毛坯尺寸為φ520mm×φ326mm×50mm，零件的毛坯余量大，材料去除率達到90%以上，刀具磨損嚴重。另外，由于去除大量的材料，截面尺寸和形狀變化較大，從而導致內(nèi)應力釋放以及重新分布，引起零件變形。

2）由于內(nèi)外環(huán)不在同一平面且直徑相差大，屬于懸臂式結構，在進行切削加工時，由于形狀過于復雜，在裝夾方面存在難度，壓緊面處的零件面處于懸空狀態(tài)，且無法進行有效脹緊（見圖2），因此切削加工時易產(chǎn)生裝夾變形以及零件振顫，產(chǎn)生較大的零件變形。

圖2 切削加工裝夾示意

3）此外，在車削壁厚（1.4±0.2）mm尺寸時（見圖3），零件支撐面與被加工處距離長，屬于懸臂結構，懸臂過長；且零件結構問題導致型面C處無法與夾具完全貼合，造成精車時零件振動、讓刀，加工時不斷變形，加工完成后，從機床上取下零件，其自由狀態(tài)平面度0.3～0.4mm，無法滿足后續(xù)加工要求。

圖3 車削壁厚1.4mm示意

4）零件內(nèi)環(huán)端面壁厚為（5.5±0.15）mm，基準平面A的平面度要求≤0.05mm，內(nèi)環(huán)端面相對于基準面A的平行度≤0.05mm，且端面有多處島嶼和通槽，如圖4所示。此外，有一處槽口是在內(nèi)環(huán)端面壁厚（5.5±0.15）mm尺寸加工完成后，采用數(shù)控銑削加工；但是銑削加工槽口后，基準平面A的平面度由原先的0.03mm變形為0.2～0.35mm，大端直徑515mm這個零件面向外張口約0.2mm，這是由于在銑削加工去除槽口后，改變了原先平面的應力分布，導致應力釋放，使零件端面產(chǎn)生變形。

圖4 內(nèi)圓端面槽口示意

5）零件的配合面要求噴涂涂層，涂層后的配合面尺寸為φ（430±0.06）mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm。采用磨削加工涂層的方法，但加工時發(fā)現(xiàn)因零件壁厚薄和結構復雜，剛度不足，砂輪與零件接觸時會產(chǎn)生較大振動，需反復修整砂輪，導致在涂層表面留有振動痕跡，難以滿足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。

2.2 工藝性分析

根據(jù)薄壁異形環(huán)形零件的外形結構、尺寸和精度等級要求，確定其加工工藝路線為：毛坯鍛件→車削基準→粗車一端→粗車另一端→粗銑花邊→去應力退火→噴涂涂層→修基準→精銑花邊→精車一端→精車另一端→鉆孔→成品。

零件毛坯為環(huán)鍛件，在粗加工階段，安排粗車去除大部分余量，單邊留有1mm余量用于精加工。此外，為了減少后期銑削端面花邊帶來的變形，在粗加工階段安排了粗銑花邊的工序，去除零件端面花邊的大部分余量，提前釋放加工應力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。在粗加工階段加工工序共去除約90%的余量。其次，為了降低因切削加工帶來的內(nèi)應力，安排去應力退火工序。在精加工階段，修復完基準后，先進行端面銑加工，再進行精車加工和鉆孔，可保證最終的位置度要求。

3 工藝實施方案

該零件屬于薄壁高硬度弱剛度類零件，在精加工時，如果工序設計不合理、裝夾方式選擇不當均會造成零件振動、彈性變形以及因受力不均產(chǎn)生內(nèi)應力變形。為了保證在加工過程中零件不產(chǎn)生變形，工藝上主要從合理的工序設計、防變形裝夾設計以及高速切削加工技術三個方面進行保證。

3.1 粗加工階段工藝實施方案

粗加工階段主要采用數(shù)控車床進行車削加工，毛坯尺寸為φ520mm×φ326mm×50mm。由于零件毛坯余量大，硬度高，加工時刀具磨損嚴重，且使零件產(chǎn)生應力變形，因此車削加工變形控制是零件變形控制的重要環(huán)節(jié)，若采用切刀快速去除余量，加工后零件自由狀態(tài)平面度為0.5mm，嚴重影響后期的加工，需優(yōu)化車削過程。針對此問題，采用擺線車削的加工方式（見圖5），使用球刀，高轉(zhuǎn)速小切削深度進行加工。擺線車削加工是一種高效去除材料的加工方式，采用回環(huán)控制嵌入的刀具，輪廓周邊產(chǎn)生一個個小圓圈的車刀軌跡，刀具頻繁地以圓弧形式切入切出工件，切屑尚未來得及長得足夠大就被切斷，達到了斷屑的目的，以此來避免切削作業(yè)時因全刀切入而導致切削材料量增大的問題，這樣可以有效減小刀片接觸面，能夠避免切屑堵塞，同時能有效降低加工時零件的振動以及殘余應力[11，12]。

圖5 擺線車削示意

另外，因零件材料硬度高，屬于難切削加工材料，所以一旦刀具磨損，將產(chǎn)生更大切削應力，造成零件變形加劇。若刀具磨損在精車階段發(fā)生，將產(chǎn)生無法挽救的后果。因此，在粗車階段，開展試驗摸索出合適的加工參數(shù)和刀具使用壽命，并將此結果運用在精車階段，以便及時更換刀具，防止刀具磨損。因切削過程中零件直徑不斷發(fā)生變化，所以使用恒線速度的切削方式更為合理，零件建議切削參數(shù)為：切削深度0.3～0.5mm，線速度30～40m/min。在精車階段可根據(jù)零件余量和最終表面粗糙度要求，適當調(diào)整切削深度和線速度。

此外，端面在粗車加工完成后，已經(jīng)達到了新的應力平衡，但端面需要銑削花邊，會引起零件變形，影響尺寸精度。為了減少后期銑削端面花邊帶來的變形，在粗加工階段安排了粗銑花邊的工序，去除零件端面花邊的大部分余量，提前釋放加工應力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。粗加工完成后，對工件進行了去應力正火熱處理工序，具體參數(shù)為：加熱到800～850℃，保溫2.0～2.5h后出爐，并在空氣中自然冷卻。

3.2 精加工階段工藝實施方案

（1）銑削端面花邊后零件變形問題 在零件基準面加工完成后，若先對基準面加工，再進行端面銑削花邊，會引起表面殘余應力的重新分配，造成薄壁零件變形嚴重。為此，一方面從工藝上進行改進，先進行精銑花邊工序，再進行精車基準面工序。銑削時，因內(nèi)圓小、安裝邊有花邊和徑向孔需要加工，無法采用常規(guī)壓緊方式。另一方面，從工裝結構上進行考慮，設計采用彈性夾緊結構夾具，該夾具能夠自動定心同時夾緊零件，并配裝與型面貼合的支撐塊，在零件外圓進行輔助壓緊，可保證零件定位型面與夾具完全貼合，如圖6所示。加工時，為消除零件裝夾與基準面的誤差，進行基準轉(zhuǎn)換，將零件的上端面作為對刀點和程序零點，以此消除零件變形和裝夾時產(chǎn)生的偏差。最后，從數(shù)控程序上進行變形控制，對于精銑端面花邊工序，使用刀心編程方式，配合輪廓編程方式，采用φ10mm合金銑刀進行徑向分層高速銑削。與普通切削加工相比，在高速切削加工時工件表面還來不及產(chǎn)生塑性變形，就已經(jīng)完成切削加工；且大約有90%以上切削熱量被切屑帶走，使切削熱來不及傳到工件。銑削端面花邊時，選用了最高轉(zhuǎn)速為40000r/min的進口高速加工中心，并對數(shù)控程序進行了仿真優(yōu)化，選擇了合理的走刀路線、切削液、切削用量和切削刀具來控制加工變形。

圖6 內(nèi)圓端面槽口裝夾及三維模型示意

（2）壁加工引起變形及壁厚不均問題 精車壁厚時，因零件懸臂伸出過長，且零件結構特殊，所以型面與夾具難以完全貼合，導致加工時支撐虛位和振刀的情況，零件自由狀態(tài)平面度0.3～0.4mm，無法滿足最終尺寸要求。為此，壁厚兩側(cè)安排在同一工序進行加工（見圖3），可防止二次裝夾及應力釋放導致的壁厚不均勻。另外，為防止加工時零件振動，在半封閉腔體（見圖3型面C）內(nèi)可使用填充物，起到防振功效，從而有效解決了壁厚不均勻和零件表面振刀紋的問題。

（3）涂層表面粗糙度無法滿足要求問題 該零件要求在表面噴涂厚度為0.2mm的碳化鎢耐磨涂層，最初工藝為磨削，因零件壁厚和結構因素，產(chǎn)生較大振動，在涂層表面留有振動痕跡，難以滿足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。因此，采用車削代替磨削，使用涂層專用車刀并采用合理的加工參數(shù)進行加工。與砂輪磨削相比，車削涂層時接觸面積更小，能有效減少零件振動，不再有振紋產(chǎn)生；且無需像砂輪那樣反復修正，使加工時間由8h減少為2h。

4 結束語

針對某航空發(fā)動機薄壁高硬度異形結構安裝環(huán)加工過程中易發(fā)生變形和振動、表面質(zhì)量差等問題，通過對其零件的結構特點、加工難點和工藝性進行分析，制定了防變形措施，確定了安裝環(huán)的加工工藝路線。在粗加工階段，采用擺線車削加工技術，能快速去除余量，減少刀具磨損，提高效率；且通過增加粗銑工序，提前釋放加工應力。在精加工階段，調(diào)整工序，先采用徑向分層高速銑削進行精銑花邊工序，然后再進行精車基準面工序；并采用彈性膜片結構的脹緊式工裝防止零件變形嚴重；最后采用以車代磨工藝來保證涂層的表面質(zhì)量和尺寸。為類似高硬度的薄壁異形零件加工提供了參考。