環形薄壁鋁合金機匣鉆銑加工研究

摘 要：某環形薄壁件屬于航空發動機特別重要的零件，屬易變形的典型轉子件，若破壞會造成很危險的結果。采用鋁合金鍛件的環形薄壁件尺寸規格為φ900×700，厚度4.19-2.6mm，其配合尺寸要求嚴格，精度高，表面粗糙度低，技術條件要求嚴格，外型面與壁厚均靠多處坐標值控制，但其剛性非常差，加工時容易變形，局部接刀處容易造成轉接不圓滑，加工材料昂貴，就環形薄壁件的結構特點，對其進行工藝研究很有必要。

關鍵詞：環形薄壁件；重要特性；鋁合金；鉆銑削加工

1 環形薄壁件鉆銑加工工藝

環形薄壁件對航空發動機的可靠性與使用壽命有很大的影響，環形薄壁件類零件典型加工工藝對保證零件最終加工精度、表面質量以及工作可靠性至關重要，也是零件整個制造工藝中的技術關鍵。由于此環形件具有不均勻薄壁的型面，一端封閉，又要求在其敞口的大端上徑向、軸向同時加工多組孔。在傳統的普通設備上很難完成其技術要求，因此選擇一些有效的加工手段是很有必要的。數控設備的出現有效的解決了這些難點，避免大量工裝的制造，又可減少制造周期，節省大量的人力、物力、財力。

1.1 環形薄壁件制造研究的必要性

1.1.1 變形大

此零件的構形特殊，且待加工面的止口尺寸及孔尺寸均為重要特性，并且尺寸要求嚴格，造成許多加工方面的困難，如薄壁、敞口、壁厚不均勻等。因此，此零件的鉆銑加工困難較大，且隨鉆銑加工銑削走刀方式及余量分布狀態的不同，變形量的變化規律不易控制，給生產加工帶來很大壓力。

1.1.2 材料易切削變形尺寸難控制

鋁鋅合金鍛件AMS4141的特性：AMS4141鋁鋅合金材料是所有鋁合金中最容易變形，也特別容易受腐蝕，空氣中易氧化，容易熱障冷縮，不好測量，又由于零件大，壁厚不均勻，且大端敞口，鉆銑加工時，加工面的止口極易漲或縮至超差，造成零件最終報廢。這就要求加工者加工時注意余量去除方向及去除狀態，并澆注冷卻液，掌握溫度變化對零件尺寸影響規律，滿足圖紙要求的尺寸。

由于以上原因，加強、提高此零件的鉆銑削加工質量、保證制造合格率、提高制造水平的研究是非常必要的。

1.2 尺寸精度及技術要求

1.3 鉆銑加工工藝分析

工藝性分析可以看出，零件無定位面，裝夾面特殊，加工孔種類多加工位置復雜，普通鉆銑床加工夾具數量多且技術條件不能保證等原因，需用數控加工中心完成。制定正確的加工工藝路線，對避免環形薄壁件在加工和工序周轉中的變形起著重要的作用。

（1）工序安排原則：a.將零件的整個加工過程劃分為銑凹陷階

段、鉆孔及銑凹陷階段。b.采用工序集中原則，使零件的大部分尺寸，集中在零件的一次裝夾定位中完成，這樣可以減小由于零件的多次定位、夾緊而引起的零件變形并避免重復定位誤差，同時可保證各組孔與基準孔間位置度及同組孔之間技術條件要求。

（2）選用剛性好、功率大、精度高的數控加工機床。

（3）較大的孔先用硬質合金鉆頭鉆底孔，然后采用硬質合金銑刀進行輪廓銑精加工。

1.4 確定加工方法及走刀路線

走刀路線的安排原則：盡量減少進、退刀時間和其他輔助時間；先鉆底孔，再進行輪廓銑加工槽，外端面孔與內端面孔交替加工，徑向孔中同一組孔，采取外面加工-里面加工交替進行的方式控制止口B的變形量。經過反復試切，用八把刀可完成數組孔的加工。先用合金鉆頭鉆底孔，然后改用輪廓銑加工槽和較大的孔。

1.5 工裝結構設計和措施

（1）遵循基準重合原則；即：工藝基準（定位基準，測量基準）盡可能地與設計基準相重合，這樣以便消除基準不重合誤差，容易保證設計尺寸公差，避免由于基準不重合而帶來的不必要的加工難度。增加輔助支撐，提高零件的剛性。另在接觸面上還使用了夾布膠木，起到了很好的減振作用，也降低了零件受腐蝕性。

（2）合理設計夾具與零件定位表面配合間隙。在加工中，因為零件的剛性差，因此，所使用的夾具的定位表面與零件的配合間隙的設計要合理，要根據工藝中各工序給出的零件定位表面的尺寸公差和型位公差，設計夾具的定位表面尺寸公差，使得零件在裝夾后，既能保證零件在夾具上的準確定位，又便于加工、找正。

1.6 刀具的選擇

零件的直徑較大，壁厚很薄，且零件的軸向尺寸又很長，零件的剛度大大下降。在實際加工中，先選用合金銑刀窩底孔，后用輪廓銑加工成型，保證刀具切削刃與零件的接觸面積不大，使切削力均勻，零件加工質量較好，零件變形得以控制。

1.7 切削參數的選擇

合理選擇切削用量對提高刀具耐用度和工件表面質量至關重要。因此，在選擇切削用量時，應綜合考慮工件、材料、刀具、機床各方面因素對加工質量、生產率、刀具耐用度的影響。從降低切削溫度、提高刀具耐用度的角度出發，選擇切削用量時，應優先考慮采用較大的切削深度，其次是較大的進給量。因鋁合金易切削，傳導性好。先考慮較大的轉速，其次較大的進給量。

選用的切削用量：S=500-800r/min，進給量f=300mm/min，切削深度ap=0.5-1mm。

1.8 刀具長度、半徑補償設定

刀具長度補償方法為：對刀儀法，利用對刀儀對刀可找出數控機床所需要的刀具補償尺寸，操作者可直接修改數控系統中的補償參數。

刀具半徑補償，在程序編制時合理地使用指令G41、G42和G40，即可建立刀具半徑補償。

1.9 上刀方法

通過改變刀具長度補償坐標值上刀。將數控系統中刀具長度補償欄內1號、2號、3號刀的長度補償坐標Z進行修正，使刀具在整個坐標系中進行平移。

一般情況下，按對刀儀對刀和刀補中上刀，可加工出合格產品。但在實際加工中，不可遇見的問題會經常出現。為了加工出優質的精品，防止對刀儀不準確和零件加工中出現了讓刀，操作者需邊加工邊測量，才能做到精益求精。

2 環形薄壁件機械加工的發展趨勢

鋁合金在航空裝備上得到越來越廣泛的應用，因此鋁合金加工的研制迫在眉睫。鋁合金薄壁件還有許多型面有待研究在數控設備上進行開發，特別是新機研制件，這樣即可減少研究經費，避免大量工裝的制造，又可減少制造周期，節省大量的人力、物力。