鎳基高溫合金薄壁大孔粗銑加工工藝改進

姜海兵+楊宏兵

摘 要：文章充分考慮了鎳基高溫合金薄壁大孔加工的結構特點，在保證加工質量的前提下，嘗試新的孔加工工藝，從而獲得一種生產效率高、加工成本低的鎳基高溫合金薄壁大孔加工工藝。

關鍵詞：鎳基高溫合金；大孔；工藝改進

中圖分類號：F407.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0055-02

前言

航空發動機制造是一個國家制造業的典型代表。其零件的整體化、結構化、輕量化是提高發動機推動比的重要設計特性之一。航空發動機整體薄壁件結構復雜，雖然整體剛度很高，但是切削過程中局部剛度相對較低；另外，數控銑削加工中極易產生工件變形和切削振動，造成整體薄壁零件加工效率和加工精度低，很難達到工件質量要求，該問題已成為影響與制約薄壁件加工質量的主要因素。

某航空發動機的環形薄壁件，在加工中心對該零件進行大孔加工。由于該零件加工大孔時剛性差，易變形，生產效率低，成本高，不能達到工廠的質量和成本目標。本文在認真分析該薄壁零件的結構特點和大孔加工要求的前提下，對該薄壁零件的大孔加工工藝進行改進，為企業創造巨大的經濟效益。

1 鎳基高溫合金薄壁零件結構特點與工藝分析

某薄殼類環形零件材料為Inco 718，工件的外徑約為600mm，平均壁厚為2mm，工件上均布20個直徑為70mm的大孔。大孔的直徑公差為70+/-.15mm，工件平面度要求為0.2mm。

2 原有大孔加工工藝分析

原有的加工工藝為：

（1）用SANDVIK的880系列磚頭880-D0690V80-03搭載刀片880-06 04 W08H-P-LM 4344和880-06 04 06H-C-LM 1044粗鉆底孔；

（2）用？覫12mm的銑刀對該大孔進行精加工。

按照此工藝加工，工件在機加工完成后產生了嚴重的變形。工件的平面度由加工前的.05mm猛增至0.45mm，導致工件超出藍圖要求，不能達到生產要求。由于該零件是鎳基合金薄壁件，？覫69mm的880鉆頭加工時，產生的刀具軸向力較大，使用該刀具加工時導致了工件的變形。

3 改進工藝設計

由于之前的工藝缺點非常明顯，產生變形的因素也已經確定。所以，后續的工藝改進方案主要是針對刀具的選用來進行。

3.1 刀具方案制定

考慮到之前的工藝是使用刀具去除了大孔的所有余量，加工去除余量較多，刀具加工時產生的加工力量較大，而導致了加工后工件變形，工時較長等問題。針對該問題，必須更換刀具，選用加工力量較小的刀具。由于該大孔的特征是孔徑大，但是深度較淺，我們嘗試將車床的槽刀片裝在銑床的刀柄上，用槽刀片將該大孔割出來，類似套料鉆的原理，只是刃口只有一個槽刀片。該方案的優點是所有的刀柄均是標準件，不需要訂制非標刀柄，該刀柄僅有一個刀片，雖然加工效率相對較低，但是加工時切削力較小，對工件的變形影響小。

在刀柄的配置方案中，我們選擇了SANDVIK的CoroCut 1-2端面切槽切削頭570-32L123P15B068A，CoroBore 825精鏜單元S20-R825SL32 020，CoromantCapto 鏜削接桿C6-R825S20-150 068，NMTB-CoromantCapto 接柄C6-A390.45-50 040。端面切槽切削頭加工的軸向槽最小內徑為68mm，軸向槽最大外徑為98mm，所以該端面切槽切削頭不需要進行額外修磨即可加工我們？覫70mm的大孔。CoroBore 825精鏜單元配合CoromantCapto 鏜削接桿可以將端面切槽切削頭在直徑方向調整至合適的尺寸，以達到刀柄旋轉后刀片的回轉直徑是我們所需的尺寸。該刀具方案的組裝圖如圖1。

3.2 加工工藝制定

由于使用槽刀加工，在最后的切斷瞬間，槽刀切斷的中心圓柱體材料如果不受固定，會擠壓槽刀片，從而導致刀片崩斷。所以，我們需要在切斷前固定住該殘余材料。我們采取的方案是在大孔中心鉆一個？覫13mm的孔，然后用M12的螺栓將工件與夾具鎖緊。這樣就避免割斷后，殘余材料擠壓刀片。

所以優化后的工藝如下：

第1步，用？覫13mm的鉆頭在大孔中心鉆一個孔。

第2步，在每個大孔的中間增加M12螺絲鎖緊工件。

第3步，用割槽刀對大孔進行割斷加工。

第4步，割斷后，松開螺絲，取出中間的加工后殘余材料。

第5步，用？覫12mm的銑刀進行精加工。

3.3 變形測量

新工藝加工完一件工件后，工件A基準的平面度由加工前的.05mm微變至.12mm，在可控范圍之內。繼續加工小批量的零件，工件的平面度范圍在.10mm- .15mm。

4 生產效率與成本分析

4.1 生產效率分析該薄壁大孔零件的加工工藝和工裝夾具改進設計后，我們可以對比下前后工藝的加工時間。

改進前：

鉆一個？覫69mm孔的時間為100秒

精銑？覫70mm孔的時間為73秒

總加工時間為173秒

改進后：

鉆一個？覫13mm孔的時間為8.4秒

鎖緊一個M12的螺栓時間為5秒

用槽刀割斷大孔的時間為37.7秒

松開一個M12的螺栓并取出中間的加工殘余材料的時間為10秒

精銑？覫70mm孔的時間為73秒

總加工時間為134秒

比較前后的工藝，改進后的工藝加工工時明顯縮短，每個孔的加工可以節約39s，一圈20個孔，一共可以節約780s，即13min，加工中心每小時300元的費用，僅僅工時方面每一件可以節約65元。如果單純從工時角度考慮，我們改進后的工藝可以明顯節約工時。但是改進后的工藝也有缺點，增加了機床停頓與員工的手動操作，加重了員工的操作負荷。需要員工在機床停頓的時候，及時進行手動操作，如果員工不及時操作，會產生機床停頓。

4.2 刀具成本分析

刀具費用：（每把刀具的費用*刀具用量）

改進前的工藝刀具費用：

880刀片：（90+90）*.5=90元

？覫12mm硬質合金銑刀（可修磨2次）：100元

改進前刀具費用：190元

改進后的工藝刀具費用：

N123刀片：120*.5=60元

？覫13mm硬質合金鉆頭（可修磨5次以上）：200*.1=20元

？覫12mm硬質合金銑刀（可修磨2次）：100元

改進后刀具費用：180元

由于增加了？覫13mm硬質合金鉆頭，改進后的方案的刀具數量有所增加，但是刀具總的費用并沒有增加，反而節約了10元。

4.3 質量

新工藝可以將工件A基準的平面度控制在.15mm左右，可以滿足圖紙要求。工件的首次通過率由老工藝的0%提升至100%，降低返工率。其減少的返工及報廢成本是巨大的金額。

5 結束語

本加工工藝的改進充分考慮了所加工薄壁大孔類零件的結構特點，在加工工藝遇到變形較大的問題時，選取具有創新性的刀具，將車床的槽刀通過SANDVIK的標準接口裝配在粗鏜刀桿上，實現了在銑床上使用槽刀的功能。由于新工藝利用槽刀的割斷，金屬去除量少，刀具的切削力小，解決了工件變形的質量問題。本次改進的最大亮點還是使用了標準的槽刀桿在銑床上進行端面槽加工，由于該方案選用了粗鏜刀刀桿，該刀桿的可調范圍很大，所以直徑范圍在40mm-150mm的槽和孔均可以使用該方案進行加工。

參考文獻：

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