高溫合金邊條翼加工成型技術研究

石章靖 程慧珍 姚金莉 黃小年 唐眾民

高溫合金邊條翼加工成型技術研究

石章靖 程慧珍 姚金莉 黃小年 唐眾民

（先進焊接技術湖北省重點實驗室，孝感 432100）

某高溫合金邊條翼為長板薄壁高精度要求零件，產品機械加工易變形。本文通過優化工藝流程，設計專用工裝，選擇合適刀具，改進工藝方法等方式使產品滿足設計指標。為類似高溫合金材料高精度要求零件提供了一種機械加工方法。

高溫合金；邊條翼；機械加工

1 引言

邊條翼結構可以大幅度地提升航彈的升阻比，有效改善航彈的氣動性能[1]，常應用于航空炸彈、火箭彈等。邊條翼的材料必須能適應高溫下可靠工作的要求，即要有足夠的高溫強度和良好的熱安定性及精度要求。本文選用的GH1131材料高溫下塑性大、韌性高、綜合力學性能較好、熱強性較高，常應用于該類型零件。經固溶處理后的GH1131高溫合金材料，屬于難切削加工材料，主要體現在：切削變形大；刀具磨損較大；切削精度較低[2]。針對該材料難加工的特點進行分析及加工試驗，通過優化工藝流程與改善加工方法滿足零件精度要求。

2 零件結構及工藝難點分析

2.1 零件結構特點

邊條翼結構示意見圖1，零件長1200mm，寬134mm，厚度最小值(3±0.15)mm，過渡值(4.7±0.1)mm，為長板薄壁底寬頂窄型結構，其中高精度指標：厚度最大值6-0.030 -0.090mm，平面度0.15mm。

圖1 邊條翼結構示意

2.2 工藝難點分析

邊條翼毛坯材料為GH1131，該合金中Ni含量在25%以上，Ni、Cr元素含量高達44%以上，具體見表1。

表1 GH1131高溫合金的主要化學成分

由于Ni、Cr含量很高，合金中的Cr、Ti、Mo等元素形成大量金屬化合物和高硬度的碳化物質點[3]。根據試驗，高溫合金在切削加工時，切削負荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750～1000℃）下，刀具產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損；加工硬化現象嚴重，已加工表面的硬化程度可達200%～500%[4]。

在邊條翼銑削加工中，從毛料到成品有較大的加工余量，會產生較大的切削力。由于受到切削力的影響，零件極易產生加工變形，6-0.030 -0.090mm等高精度尺寸及形位公差難以達到設計技術條件要求，影響組件的裝配。本文通過優化工藝流程，設計專用工裝，選擇合適刀具，改進工藝方法等方式使產品滿足設計指標。

3 解決方案

3.1 工藝流程

結合零件材料屬性及結構特點分析，選擇毛坯尺寸為8mm×195mm×1210mm，工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

流程制定主要基于如下兩點考慮：

a. 厚度基準面及翼面加工時，采用小切削深度，反復翻面銑削加工，雙面均勻去量，以減少切削加工變形量。在減少加工變形量的基礎上，零件的定位準確性得到改善，有利于提高零件的尺寸精度。

b. 厚度基準面的精加工及翼面的加工，需控制產品的裝夾變形，同時保證基準的一致性。

3.2 關鍵技術

3.2.1 裝夾方案

采用定位板從四周將零件頂緊及精密平口鉗等裝夾后，零件容易被夾變形，且零件切削加工有變形，適用于粗加工去量。采用真空吸盤吸附零件進行機械加工，有利于實現吸附力垂直于邊條翼的厚度表面，提高加工精度。標準真空吸盤外形尺寸為522mm×1022mm，而邊條翼坯料外形尺寸為195mm×1210mm，真空吸盤長度不夠。設計專用的銑床夾具轉接，將銑夾吸附到真空吸盤上，再把邊條翼吸附在銑夾上，進行厚度表面及翼面的加工，示意見圖3。

圖3 真空吸盤+銑夾+零件結構示意

3.2.2 銑夾設計方案

銑夾主要實現與標準真空吸盤的對接及零件定位吸附兩項功能。銑夾的下表面與真空吸盤對接，在真空吸盤的中間位置用密封圈圍出一定閉合區域（如圖4所示），形成密閉空間提供吸附力。銑夾要將吸附力傳遞到與零件的定位面，則需在其表面加工出密封槽3+0.1 0mm×3-0.1 -0.2mm（寬×深），用密封圈圍出一定閉合區域才能使零件被吸附。

圖4 真空吸盤密封

邊條翼在進行翼面加工時外形如圖5所示，零件的吸附平面外形相距密封圈需要留一定的邊距。根據零件外形尺寸，翼尖30mm，寬工藝夾頭單面留5.5mm，翼根下方46.5(＝190-30-(134-20.5))mm，寬工藝夾頭單面留11.5mm，長度方向留邊距11mm，翼面加工時與真空吸盤的接觸面積：=((30-5.5×2-3×2)+(46.5-11.5×2-3×2))×(1205-11×2-3×2)＝35898.5mm2（注：尺寸3為密封槽寬度尺寸）。

圖5 翼面加工后的邊條翼

真空泵工作時壓強穩定在0.82bar (1bar=0.1N/mm2)。

依據真空吸盤吸附力公式：

=×

式中：——吸附力；——壓強；——吸附面積。

=0.82×0.1×35898.5=2943.677N

真空吸盤使用時，要求切削力z≤0.25F。需要計算銑削加工的切削力，來確定真空吸盤的吸附力是否足夠。用硬質合金立銑刀銑削高溫合金材料的切削力的經驗公式：

F=440aa0.75a0.85Zd-0.75n0.1K

式中：F——切削力；a——切削深度；a——每齒進給量；a——切削寬度；——銑刀齒數；d——銑刀直徑；n——主軸轉速；K——被加工材料對切削力的修正系數。

其中，高溫合金材料切削力的修正系數K＝1，在邊條翼加工中，主要應用了兩種直徑的刀具，切削參數及切削力見表2。

在使用40mm銑刀時，主切削力為F=116N，遠小于0.25F≈735.919N，所以針對選用的切削參數，零件的吸附面積可滿足真空吸盤工作要求。銑夾的底面加工出1mm深下陷（如圖6所示），便于壓縮空氣在銑夾底面與真空吸盤上表面之間流動；銑夾上加工4個4.2mm通孔使壓縮空氣通到銑夾的上表面；銑夾上表面除了加工用于吸附邊條翼的密封槽外，也同真空吸盤一樣加工出網格（如圖7所示），網格間槽口尺寸為3+0.1 0mm×3-0.1 -0.2mm（寬×深），以便于其它零件借用。考慮到零件加工過程中會出現變形，銑夾設計了壓板，在吸附前將零件壓平，便于真空吸盤工作時能將邊條翼吸附在銑夾工作表面上。

圖6 銑夾底面狀態

圖7 銑夾頂面狀態

3.2.3 刀具選擇及工藝改進

高溫合金材料零件（如叉形件、軸等）粗加工主要使用超硬鋁刀具，精加工使用硬質合金銑刀，邊條翼的銑削面積較大，單面的加工面積為190mm×1205mm，需要使用耐磨性能較好的刀具。而普通的超硬鋁刀具耐磨性能較差，進行大面積切削表面質量不高、尺寸誤差都較大，而硬質合金材料的刀片耐磨性能比普通超硬鋁刀具要高，因而，選擇不同廠家的硬質合金刀片進行對比試驗。選擇20mm立銑刀，粗加工邊條翼的厚度兩面，加工面積190mm×1205mm，加工后用百分表檢測被加工表面的刀具磨損前后誤差值，試驗結果見表3。

試驗結果可以得出：山特維克、瓦爾特的硬質合金刀片耐磨性相當，美福刀片在加工完一面后就出現較大的磨損，不適用。因而在加工邊條翼的厚度及翼面時，選用了山特維克的硬質合金刀片，每面走刀兩次后更換一次刀片，為保證厚度及翼面的尺寸精度要求，精加工階段每走刀一次后更換刀片。

選擇不同直徑銑刀、走刀方向，將零件厚度尺寸從8mm粗加工到6.5mm進行切削試驗，零件的變形量記錄在表4中。

表4 零件的變形量

試驗中，走刀方向先選擇的是沿長度方向，加工所用的切削參數與表3中的參數相同，在零件加工至7.5mm時出現變形，進行了一次校形，校形后再垂直于長度方向加工，依然有較大的變形。可見走刀方向對零件銑削平面度沒有明顯影響。由于寬度方向加工時刀具轉向多于長度方向，結合表2數據，為減小切削力，在后續加工中選擇用20mm刀具沿長度方向進行加工。

3.2.4 邊條翼的熱校形

經過零件的加工驗證，切削應力釋放仍然會引起邊條翼加工變形，1#件的平面度為0.9mm；2#件的平面度為1.1mm，均未達到要求。采用機械校形容易在表面留下錘痕，為保證零件表面質量，需采用熱校形的方法滿足精度指標。

邊條翼材料為GH1131，其固溶處理溫度為(1150±10)℃，再結晶開始溫度超過900℃，當邊條翼加熱至850～870℃，材料組織將完全進行回復而不進行再結晶，組織狀態未變化，材料強度不會降低，但材料組織的熱回復也可以大幅度消除殘余應力及校正模具裝夾定型的預置應力，從而可使邊條翼外形尺寸穩定化，起到校正的作用。且邊條翼熱校形加熱在真空環境下進行，可有效避免零件表面氧化，保證零件表面質量，不需留加工余量。為避免熱校形過程中熱脹冷縮不一致而影響校正效果，熱校正模選擇了在工作溫度范圍內線膨脹系數與零件相匹配的20Cr13材料。

邊條翼加工至最終尺寸狀態進行熱校形，熱校形內腔尺寸與邊條翼外形相匹配，整體采用上、下模進行定型裝夾，如圖8所示。

圖8 邊條翼熱校正工裝夾示意圖

1#、2#兩件經過熱校形處理后，翼面的平面度達到了0.15mm，滿足設計指標要求，邊條翼實物如圖9所示。

圖9 邊條翼

4 結束語

因高溫合金在高溫下綜合力學性能較好，在航空、航天等領域已廣泛應用。但其導熱系數較低、加工容易產生硬化等，屬于難切削加工材料，對其切削加工性的研究是當前的一個重要方向。本文通過分析高溫合金的加工難點，并結合邊條翼產品的結構特點，采用工藝控制方法使產品達到設計指標要求，最終通過試驗進行了產品可靠性驗證。對高精度要求的高溫合金材料零件加工具備一定借鑒作用。

1 張晶. 帶邊條翼彈體縱向氣動性能的研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2005，7

2 吳明陽，王博. 高溫合金材料特性及加工技術進展[J].哈爾濱理工大學學報，2015，20(6)：27～28

3 邱艷芳. 高速鋼刀具在加工高溫合金材料中的應用[J]. 制造材料，2002，40(455)：44～45

4 盧素花，史繼偉. 高溫合金低壓渦輪盤機械加工技術研究[J]. 中國新技術新產品，2013(4)：23～24

Research on Machine Shaping Technology of High Temperature Alloy Flanges

Shi Zhangjing Cheng Huizhen Yao Jinli Huang Xiaonian Tang Zhongmin

(Hubei Key Laboratory of Advanced Welding Technology, Xiaogan 432100)

The parts of high temperature alloy flanges are long plate, thin wall and high-precision. Products are easily deformed during maching. In this paper, optimizing the process flow, designing special tooling, selecting suitable cutting tools, improving the process method and other ways are used to make the product meet the design index. This paper provides a machining method for high-precision parts of similar high temperature materials.

high temperature；flanges；machine shaping

石章靖（1988），碩士，機械制造及其自動化專業；研究方向：先進制造技術。

2019-05-17