盤心引氣套加工新方法

■中國航發西安航空發動機有限公司 （陜西西安 710021） 馮永星

盤心引氣套是我單位新研制的某航空發動機零部件，屬于薄壁環形件，其典型特點是壁薄，尺寸精度及幾何公差要求高，加工時需要控制零件的整體變形量，確保零件符合設計圖樣的總體要求。此文是筆者根據在科研試制過程中，通過對該零件裝夾方式、刀具形式、走刀路線及加工參數等的不斷摸索、不斷嘗試所總結出的一種加工方法。

1. 零件介紹

零件如圖1所示，其材料為GH4169高溫合金，熱處理狀態為固溶時效。零件總長210mm，其左端槽為整個零件的設計基準，軸向尺寸最嚴公差為0.05mm，徑向尺寸最嚴公差為0.04mm，零件最小壁厚2mm，且壁厚均勻度要求≤0.05mm，同時薄壁處內孔、外圓均要求對基準A、B的跳動≤0.05mm。

2. 工藝難點分析

（1）基準槽加工困難 端槽是整個零件的基準，大部分軸向尺寸都與基準A相關；基準B公差只有0.04mm，需要使用槽刀加工，尺寸難以保證。同時，要保證零件跳動≤0.05mm，基準A的平面度及基準B的圓度要控制在一個很好的范圍內，這一點也很難控制。

（2）端槽內外環槽難加工 從圖1可以看出，需要在寬度4mm的端槽下端加工出一個直徑2.5mm的環槽，環槽中心到基準A的公差為±0.05mm。加工時所用刀具的結構既要保證其不與零件干涉，也要確保其具有足夠的剛性來切削，這對刀具設計提出了很高的要求。

圖1 零件

（3）外圓內孔跳動難保證 跳動是一個綜合評價指標，同時包含了被測要素自身的形狀誤差及被測要素與基準的位置誤差。本文所涉及的零件要求外圓、內孔對基準A、B的跳動≤0.05m m，也就是同時要控制外圓、內孔自身的圓度、與基準A的垂直度及與基準B的同軸度，這在薄壁長零件的加工中很難控制。

（4）壁厚均勻性難保證 從圖1可以看出，零件壁厚2mm，壁厚的均勻性要控制在0.05mm以內，而薄壁零件在加工時往往會出現因系統剛性不足而產生的讓刀現象，導致壁厚難以保證，壁厚的均勻性更難以控制。

3. 解決途徑及效果

由上述分析可以看出，零件加工時主要問題集中在基準加工、刀具設計及減小零件變形這幾個方面。根據本文所述零件的具體結構，結合本單位的設備情況，通過嘗試，我們選擇了如下解決方案。

（1）合理裝夾抑制零件變形 這部分通過4個方面實現。

1）加工順序的安排。粗車時由于零件壁較厚，采取粗車大端→粗車小端的路線，均采用軟爪裝夾，考慮到工序間熱處理的因素，粗車給精車單邊留余量2m m。精車時由于最終壁厚為2mm，故在加工順序的安排上采取精修大端→精車小端→精車大端的工藝路線。

2）精修基準的裝夾。如圖2所示，精修大端時由于零件壁厚內外各有2mm余量，壁厚較厚，因此采用長軟爪來裝夾零件，加工后在自由狀態下零件圓度為0.01mm，達到了后續工序裝夾的要求。

圖2 精修基準的裝夾

3）精車小端的裝夾。精車小端是該零件精加工時的一道關鍵工序，本工序需要嚴格控制被加工內孔及外圓自身的圓柱度及相互的同軸度，只有這樣才能保證最終驗收時內孔、外圓對基準A、B的跳動≤0.05mm，確保壁厚的均勻性≤0.05mm。同時，如何減小或消除整個切削系統的振動，保證零件表面質量也是該工序的關鍵。

裝夾方式上，本工序依然采用軟爪進行裝夾，車內、外孔時分別采用不同輔助方式來減小零件變形及振動。在加工時按如下步驟進行：粗車內孔→精車內孔→粗車外圓→精車外圓→精修內孔。

零件總長210mm，車內孔時零件及刀具懸伸都比較長，導致整體剛性差，切削時極易出現振動及讓刀現象。針對這個狀況，選擇直徑為40mm的鏜孔刀，同時采取傳統的在零件表面纏繞橡膠皮（或自行車內胎）的方法，這是一個難度小、成本低，但效果極好的方法。需要說明的是，在纏繞橡膠皮時注意以下幾點：首先要控制纏繞橡膠皮時的張力，過大的張力會導致零件變形，但張力過小又起不到減振及抑制變形的作用；其次，在纏繞橡膠皮時要均勻覆蓋整個零件，避免因覆蓋不均勻而導致零件局部變形或內孔呈波浪狀，無法保證尺寸及幾何公差；最后，從安全的角度出發，在纏繞橡膠皮時要注意旋向及膠皮末端的位置，避免膠皮因零件高速旋轉而松動，或膠皮末端纏繞切屑而出現質量或安全事故。

車外圓時先要去掉纏繞的橡膠皮，換用中心蓋板輔助支撐，用機床尾頂尖頂住中心蓋板，如圖3所示。這里有兩點需要說明：①中心蓋板與零件內孔的間隙控制在0.005～0.015m m，不宜過大，否則后期的跳動很難保證。②由于是薄壁零件，因此尾座的壓力不宜過大，這一點可以通過在零件上壓百分表逐步調整。

圖3 機床尾頂尖頂住中心蓋板

4）精車大端的裝夾。精車大端時零件夾持部位厚度只有2m m，在外力的作用下很容易產生變形，導致零件松動或者尺寸、幾何公差等超差。因此在確保零件可靠裝夾的同時，如何抑制裝夾變形是本工序的重點。

根據上述分析，設計了如圖4所示的專用夾具來裝夾。夾具由轉接盤、支柱、頂塊、定位環及螺釘等幾部分組成。加工時將零件安裝在夾具的定位環上，擰緊4個緊固螺釘，推動頂塊與零件外圓緊密貼合，起到緊固零件的作用。為使零件裝卸方便，同時兼顧定位的可靠性，零件與夾具定位環為間隙配合，但是間隙不應該＞0.02mm。為了避免零件壓傷，采用銅質的頂塊，頂塊一端呈圓弧形，與零件外圓緊密貼合。

這種夾具在使零件可靠定位的同時，很好地解決了薄壁零件易受外力變形的情況，滿足了加工該零件的需要。本工序進行完后，在自由狀態下基準A平面度≤0.005mm，基準B圓度≤0.01mm。

（2）合理選擇刀具及規劃走刀路線 該零件在加工時另一個難點就是大端環槽，如圖1所示大端槽寬4+0.05+0mm，內孔一側公差為0.04mm。同時，在端槽內部要加工出寬度為2.5mm的環槽，環槽中心距基準（4±0.05）mm。這種空間狹小的窄形槽在加工時無論對刀具設計還是程序規劃都提出了嚴格的要求。

1）刀具設計。端面形槽的特點決定了刀具刀頭部位總寬度不能＞4mm，否則會與端槽內壁產生干涉；刀具切削刃的懸伸長度不能＜1.35mm，否則無法保證環槽的深度。因此在設計時既要保證刀具的整體剛性，也要滿足切削時環槽的尺寸要求。

圖5所示是最終加工零件時的刀具示意，該刀具有如下特點：①采用了整體硬質合金機夾刀片的形式。②根據零件的具體形狀，將刀頭設計成43°，解決了刀頭總寬度不能＞4mm的限制，同時有利于排屑，避免了切削時由于夾屑導致斷刀。③切削刃圓角為1mm，在保證刀片強度的同時降低切削力。

圖4 車大端夾具

圖5 刀具示意

2）程序規劃。刀具在狹窄的區域內運動，需要合理規劃刀具路徑，并通過模擬、仿真的方式進行驗證，否則在切削過程很容易出現過切、碰撞等問題。當加工刀具為圓頭刀時，應該使用刀具圓心為參考點規劃刀具路線，這樣規劃出的刀路整齊并易于檢查。

圖6所示是加工環槽的刀具路線，采用往復式切削，進退刀時均以P點為圓心滾動刀具，這樣可以保證刀具在最小的空間內運動，從而避免切削時過切、碰撞等現象的出現。

圖6 刀具路線

（3）加工參數 表1列舉了精加工內外圓及大端環槽時的切削參數，加工時使用的機床為中國臺灣產NEX-110數控車床。由于不同的機床結構及系統剛性，在加工中切削參數也會存在差異，因此在實際加工中要根據車間設備的狀況進行調整。

針對表1中的參數，有以下幾點需要說明：①精車內孔的切削速度數值是更換全新刀具后的參數。車內孔時刀具伸長量較長，整個切削系統的剛性都比較差，當同一刀具進行反復切削時會出現嚴重的讓刀及振動，這種讓刀及振動會加劇刀具的磨損，從而使切削狀態變得更差。經過加工試驗，新刀具加工后內孔前后直徑差在0.02mm左右，當刀具進行第二次切削時，內孔前后直徑差在0.10～0.18mm，無法滿足加工要求。②車環槽時刀具剛性差、排屑空間小，因此選擇了較為保守的切削參數，這樣可以避免切削抗力過大或者夾切屑導致的刀具斷裂。

表1 切削參數

4. 改進效果

該零件加工后所有特性均合格，在自由狀態下，基準B的尺寸在φ152.02～φ152.04mm；外圓內孔對A、B基準的跳動最大值為0.045 2 +0.1+0m m，壁厚為2.07～2.09mm；198.7－0－0.05m m尺寸實際為198.68～198.70mm；環槽中心距基準A尺寸（4±0.05）mm實際為3.98～4.01mm，主要特性均在較好的狀態，完全符合零件驗收的要求，圓滿完成了此次科研試制任務。

5. 結語

文中所述是筆者從某航空發動機盤心引氣套科研試制過程中所總結出的一種薄壁零件的加工方案，在新品研制及小批量加工中具有一定的可借鑒性。當然，薄壁零件的加工工藝是多樣化的，在不同的加工車間有著不同的加工方案。如何結合本單位現有的設備結構制定合理、優化的方案，需要技術工作者不斷去摸索，去實踐。