薄壁零件加工變形控制方法研究

王興超 劉 一

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）責任有限公司，遼寧 沈陽 110043）

隨著航空技術的迅猛發(fā)展，對航空發(fā)動機的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、輕量化也提出了更高的要求，因此在航空發(fā)動機中大量采用薄壁、整體類零件，該類零件具有形狀結構復雜、加工余量大、剛性低、精度要求高、加工工藝性差的特點，在其制造和使用過程中產(chǎn)生變形問題，已嚴重阻礙航空發(fā)動機的發(fā)展。本文對如何更好地控制薄壁零件加工變形作如下分析。

1 影響薄壁件加工變形的因素及控制方法

1.1 影響薄壁件加工變形的因素

影響零件變形的因素是多方面的，包括設備剛度與精度、毛坯余量、裝夾與支撐方式、切削參數(shù)與走刀路徑、零件內部殘余應力等。其中對加工變形影響最主要的因素有材料內部的殘余應力、加工過程的切削力、工裝夾具的裝夾力。加工路徑的不同會影響到整體結構件內原有殘余應力的釋放順序，造成整體結構件的不同剛度特點發(fā)生變化，導致零件發(fā)生不同程度的變形。隨著整體結構件加工過程的進行，毛坯材料被逐漸切除，工件的剛度也隨之不斷減小，加上切削力和切削熱的作用，使得整體結構件內產(chǎn)生新的殘余應力。據(jù)統(tǒng)計，至少有20%的加工誤差是由裝夾及定位造成的。影響加工變形的最主要因素是毛坯殘余應力，約占變形的70%~80%。由于薄壁結構件在加工過程中材料去除量高，甚至能達到90%。

1.2 加工變形控制方法

針對零件加工變形的主要因素，可采取毛料精化、刀具結構優(yōu)化、裝夾方式和工裝結構改進、切削走刀路徑優(yōu)化以及殘余應力均化等措施控制零件加工變形。

2 控制變形措施應用實例

2.1 某薄壁零件結構特點及技術要求

該零件為大型薄壁筒體結構，由前后安裝邊、筒體、安裝座焊接而成，壁厚1mm，軸向尺寸539mm，直徑尺寸Ф1098mm，材料為鈦合金，屬于難加工材料。技術要求：端面平面度與平行度0.01mm，徑向跳動0.3mm，安裝邊上孔位置度 Ф0.1mm，徑向安裝座孔位置度Ф0.2mm。

2.2 改進前零件加工工藝

該零件主要加工部位為前后安裝邊、外型面安裝座、前后端面孔及安裝座上孔。工藝路線為：集件→焊接前后安裝邊→熱處理→化學銑切→車前安裝邊→銑端面及鉆鏜孔→鏜前安裝邊上孔→車后安裝邊→銑端面及鉆鏜孔→鏜后安裝邊上的孔。

2.3 存在問題

（1）殼體毛料為焊接結構，焊后及機加后零件產(chǎn)生較大的內應力，放置后因應力釋放導致的變形也較大，造成零件精度較差，影響組件裝配精度；（2）安裝座端面平面度及平行度0.01mm，受后續(xù)安裝座端面及孔銑、鉆、鏜工序影響，零件徑向跳動量發(fā)生變化，導致零件該部位尺寸及技術條件不合格，影響生產(chǎn)進度和裝配質量。

2.4 工藝改進措施

2.4.1 毛料結構優(yōu)化。由于零件壁厚薄，焊后變形大，故整個零件毛坯由焊接結構調整為整體鍛件結構。改進前，各座子中心位置跳動量平均為0.24mm，改進后各座子中心位置平均跳動量為0.15，座子相對位置精度提高50%。有效避免焊后因內部應力釋放引起的變形問題，提高了零件結構尺寸精度與各安裝座間的相對位置精度。

2.4.2 工藝路線優(yōu)化。零件原加工工藝采用車前后安裝邊、銑削安裝座端面、鉆孔分開加工，零件存在多次定位裝夾，造成零件尺寸精度低，技術條件難以保證。改進后采用車、銑、鉆、鏜合并加工。在銑端面及鉆鏜孔工序中將技術要求高的安裝座放在最后加工，零件變形減小，尺寸及技術條件易于保證。

2.4.3 裝夾與支撐技術應用。該零件加工時壁薄、剛性差，加工時易產(chǎn)生振顫、讓刀及加工變形；為了減小殼體變形量，在夾具設計中采用徑向可調輔助支撐提高零件徑向剛性，從而增強工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)零件的結構在夾具設計上輔助支撐采用6個扇形塊，輔助支撐底部與底座連接處采用T型槽形式可實現(xiàn)快速換裝，以減小零件切削加工過程中的振顫，從而控制零件的加工變形。

2.4.4 數(shù)控程序與走刀路徑優(yōu)化。在數(shù)控加工過程中，考慮到機床Y軸精度有0.06mm漂移誤差，故在加工端面孔時，由以往在Y軸正向鉆加工起始孔，調整為在X軸正向鉆加工起始孔，避免了因機床精度影響零件加工精度問題。精密安裝座深度尺寸公差為4+0.050mm，粗糙度0.8μm，平行度及平面度為0.01mm。改進前，數(shù)控程序采用順序加工，未考慮后續(xù)加工其它安裝座時對該處尺寸及形位公差的影響。改進后，將此安裝座按排在最后加工，并分為9個工步：①粗銑端面；②粗銑上孔；③粗銑下孔；④開槽；⑤粗銑輪廓；⑥精銑上孔；⑦精銑下孔；⑧精銑輪廓；⑨精銑端面。

2.4.5 優(yōu)化檢測方法。因零件結構尺寸大，改進前，零件加工完成后采用卡尺測量直徑尺寸，操作者不便檢測，且存在檢測誤差大的現(xiàn)象。改進后，采用在線測量技術，極大方便了檢測精度與效率。

2.5 零件技術指標保證情況

零件安裝座端面平行度、平面度由改進前的0.02mm、0.012mm均提高到0.01mm，孔位置度由改進前的Ф0.16mm提高到Ф0.03mm。

結語

針對薄壁零件加工變形問題，采取工藝路線與走刀路徑優(yōu)化、輔助支撐等措施，改善了零件加工過程中受力不均衡的狀態(tài)，加工變形得到有效控制。采用銑車復合加工技術將工序合并，較傳統(tǒng)加工方式，加工工序由6道減少到2道，提高加工效率40%，相對位置精度及表面質量顯著提高。同時，采用在線測量技術，提高了檢測效率與產(chǎn)品質量。經(jīng)實際驗證此次攻關改進措施切實有效、可行，對其他同類薄壁零件變形控制具有一定的參考價值。

[1]康小明，孫杰，蘇財茂，等.飛機整體結構件加工變形的產(chǎn)生和對策[J].中國機械工程，2004（13）：12-15.

[2]王文理.大型整體鈦合金框的數(shù)控加工技術[J].航空制造技術，2010（24）：65-67.

[3]唐亞彬.基于有限元分析的薄壁結構件加工變形預測方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2012.