某后承力框架外環加工工藝研究

李寶寧 鄒宇寧 韓 冰

（1.空裝駐沈陽地區軍代表局，遼寧 沈陽 110043；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

某后承力框架外環為新結構零件，零件內外型面各有12處安裝座，每處安裝座均有10處通孔（2處為精密孔），1處安裝座有1處通槽及6處螺紋孔，其余11處安裝座各有1處通孔及2處螺紋孔，前端有3處雙層凸耳，后端有9處花邊。零件材料為高溫合金，最大外圓直徑Φ1 210 mm，最小內圓直徑Φ1 009 mm，總高354 mm，壁厚最薄處為7 mm。該零件為某發動機動力渦輪后機匣組件重要的承力零件之一。相對于其他承力框架組件，該類承力框架組件將后承力框架外環與內承力環的連接方式由焊接結構改為裝配結構。支板結構由梭型帶焊接坡口的結構改為圓弧形過盈裝配的結構。前安裝邊由單層安裝邊改為雙層安裝邊且帶凸耳，后安裝邊由單層安裝邊改為花邊結構。零件材料為高溫合金材料，材料硬、加工難度大。且粗加工后，因為有熱處理工序，所以零件仍有較大余量。尤其是銑前端花邊工序單邊余量為58.5 mm，且花邊上有6處雙層精密通孔。機匣外型面整體留有2 mm余量，且在每處安裝座均有2處精密孔，8處整流支板安裝孔以及連接支板的通孔及螺紋孔。安裝座厚度為15 mm。

1 零件結構分析及加工背景

零件交付節點極為緊迫，要求所有精加工工序、熒光檢查、成品檢驗及首件鑒定相關工作在1個月內完成并入庫。由于無加工類似零件的相關經驗，且零件材料硬度大，所以零件加工效率低下，較難保證零件能夠按交付節點入庫。該類后承力框架外環由于結構的特殊性以及材料硬度大、交付節點緊，導致在加工過程中勢必存在很多加工難點，該文通過對零件結構的深入剖析，合理優化工藝路線，制作專用夾具，使用特殊刀具，并且優化數控程序，以使后承力框架外環零件能夠高效率、高質量交付，為今后其他類似結構的機匣零件提供寶貴的生產經驗。圖1為零件模型局部示意圖。由于該零件結構與同類零件截然不同。該零件直徑較大，粗加工并經過熱處理后零件變形量大，零件前端止口尺寸Φ1047+0，120+0，186mm較難保證，零件壁厚尺寸（7±0.1）mm，由2道車工序以及2道銑工序共同保證，車銑接刀痕不能大于0.1 mm，較難加工，同時由于沒有加工過類似結構的零件，因此現加工工藝不成熟。

圖1 零件模型局部示意圖

2 合理優化工藝路線

零件宏觀結構與某后承力框架外環類似，所以主要工藝路線借鑒原后承力框架外環的工藝路線。但由于該零件新增凸耳以及花邊結構，因此增加銑前、后安裝邊花邊的工序。由于設備限制、裝夾方式等原因，因此在不影響零件質量的情況下對工藝路線進行合理優化。1）將零件精銑內型面工序調整至最后一道機加工序進行加工。2）根據零件裝夾狀態以及所使用的夾具，允許鉆前安裝邊孔、銑花邊工序與鉆后安裝邊孔、銑花邊工序合并加工。

3 增派夾具并優化夾具結構，保證零件加工穩定性

由于高溫合金材料硬度大，銑前、后安裝邊花邊工序余量極大（單邊余量58.5 mm），根據零件其他后機匣組件（材料同為高溫合金）銑花邊經驗，只依靠壓板對零件進行壓緊，零件角向存在較大的竄位風險，且該零件加工余量更大。針對材料硬度大，加工時，如果只依靠壓板壓緊，則在銑花邊過程中將會存在極大的角向竄動風險。因此決定在銑花邊工序之前，在零件前安裝邊（雙層）的靠近鋁盤一側花邊，預鉆角向定位孔，相應在2道工序的2個鋁盤上分別鉆2個銷孔，在進行銑花邊工序時，須在零件和鋁盤之間插上銷孔，用于角向限位。具體方案為，在鋁盤A上使用Φ6 mm鉸刀進行鉆孔，在鋁盤B上使用Φ7mm鉆頭進行鉆孔。具體如圖2所示。

圖2 銑花邊工序夾具結構及銷孔位置示意圖

零件加工工序中精車后端、精銑內型面、精銑外型面、鉆后安裝邊孔、銑花邊（雙層安裝邊側靠近工作臺）為同種裝夾狀態；精車前端、鉆前安裝邊孔、銑花邊為同種裝夾狀態?？紤]加工設備工作臺大小、自身結構等限制，須使用鋁盤作為夾具進行加工的工序為精車后端、精銑內型面、精銑外型面、鉆后安裝邊孔、銑花邊、鉆前安裝邊孔和銑花邊。由于精銑內型面工序2次加工設備不同，所需鋁盤也不同。鋁盤A的使用工序最多，而2臺零件均需要不落地加工，因此派制2套鋁盤A方能保證2臺零件同時不落地加工。由于五坐標彎頭較大（直徑約為180 mm），而零件在加工時的程序最低點距離基準A面為83.88 mm故，因此裝夾時不能在里側壓緊，只能在外側連零件帶鋁盤一起壓緊，且鋁盤內側需車出一個不小于15mm的臺階，方能滿足該工序在五坐標機床上的加工要求。

4 逐工序進行加工提效

4.1 精車前端

陶瓷刀具是現代金屬在切削加工中的一種新型材料刀具。它能提高生產效率，并加工某些普通刀片所不能加工的超硬材料。其特點包括強度高、硬度高、紅硬性高以及耐磨性高，并具備優良的化學穩定性和低摩擦系數等。其切削加工效率為普通硬質合金的3～9倍。在粗車端面、粗車內圓以及粗車外圓工步使用表面粗糙度值R為6.3 μm陶瓷刀片進行加工，轉數S=80 r/min，進給F=0.18 mm/r，每層切深為0.4 mm。由于零件徑向的角向孔存在斷屑的情況，且材料硬度大，極大地增加了加工周期和刀具消耗。因此在粗加工時，先在角向孔位置增加粗扎槽程序去余量，再使用R為1.6mm的篦齒刀片進行精車工序[1]。該工序預計加工時間為204 h，經優化后，第一臺實際加工時間為112 d，第二臺實際加工時間為111 h，加工效率提升82%。

4.2 精車后端

在粗車端面、粗車內圓、粗車外圓工步使用表面粗糙度值R為6.3μm的陶瓷刀片進行加工，轉數S=80 r/min，進給F=0.18 mm/r，每層切深為0.4 mm。該工序預計加工時間為40h，第一臺實際加工時間為28 h，第二臺實際加工時間為26 h，加工效率提升48%。

4.3 精銑外型面

4.3.1 R參數編程

“R”參數編程是變量編程的一部分，合理利用“R”參數編程，可以有效簡化程序，提高程序的手工編制能力，提高加工效率。借助于變量編程可以使程序更加靈活簡便，容易修改。其最大的優點是將有規律的尺寸變化，用最短的程序段表示出來。復雜零件在進行數控加工時，可靠且穩定的加工程序常常成為提高零件加工質量和效率的重要手段。機匣外型面共有12處安裝座，整體加工余量為2 mm，材料硬度大，下屑量大，常規編程方式為所有安裝座的每個部位編一條程序。該種編程方式程序數量多，不夠直觀。因此將安裝座周邊以及安裝座表面的UG軟件操作改為固定軸操作（不轉C軸），再采用R參數編程，為安裝座的每個部位編制程序，且清晰直觀，方便現場加工[2]。（R1=0時，加工第1個安裝座；R1=11時加工第12個安裝座）。

4.3.2 φ12.5 mm孔改為螺旋銑方案

在加工φ12.5 mm孔時，原定優化方案為使用φ12.55 mm改磨銑刀加工，后經現場驗證發現，該孔深度較深（15 mm），在加工時存在喇叭孔問題須多次光整才能夠合格，加工效率低。因此改為使用φ10 mm銑刀螺旋銑，加輪廓編程的方式進行加工。

4.3.3 方槽加工改為螺旋銑

在加工方形通槽時，原定優化方案為使用φ9 mm鉆頭去四角余量，再使用螺旋銑加工。實際現場加工時發現，四角鉆孔時鉆頭顫動大，容易與直邊發生接刀。且鉆孔時間較長，與預期效果相差較遠。采用直接螺旋銑刀心編程的方式，單邊留0.3 mm余量，再使用輪廓編程進行精加工。解決了四角接刀殘留問題。提升一次加工合格率。

4.3.4 M6螺紋孔改用機攻螺紋

零件機體上共有28處M6螺紋孔，均為通孔且孔深15mm，材料硬度大如采用傳統的銑螺紋方式，則會花費大量的時間，加工完成后孔會變形，后續還需使用絲錐手工，大大增加了零件的加工周期。經與技能專家及數控團隊討論，決定借鑒相似零件加工經驗，采用機攻螺方式進行加工。應用西門子系統自帶的CYCLE84指令加工螺紋（如圖3所示）。經現場加工驗證，效果良好，絲錐未折且螺紋孔全部加工合格。后續螺紋孔無變形，無手攻螺紋的情況發生。該工序預計加工時間為504h，第一臺實際加工時間為360 h，第二臺實際加工時間為355h，加工效率提升41%。

圖3 CYCLE84主要參數注釋

4.4 鉆后安裝邊孔、銑花邊

鉆后安裝邊孔、銑花邊工序加工內容為銑花邊及鉆孔，分別為96處φ7 mm孔以及27處φ6.5 mm孔，以及余量較小的花邊（單邊余量為16 mm），加工方法為常規的鉆、擴、鉸以及在Z向分層加工花邊（分粗銑、精銑，粗銑給粗銑留0.3mm余量）。該工序預計加工時間為46 h，第一臺實際加工時間為42 h，第二臺實際加工時間為40 h，加工效率提升12%。

4.5 鉆前安裝邊孔、銑花邊

鉆前安裝邊孔、銑花邊工序銑花邊工步加工余量極大（單邊余量58 mm），且材料硬度大、難加工，耳片上分布6處φ30 mm雙層通孔，72處螺紋孔，96處φ8.5 mm一般孔。總體看，加工難度大，正常加工周期一般在18 d左右。

4.5.1 銑花邊優化

針對花邊余量大的問題，采用了在Y向分層代替Z向分層的方法，第一層使用φ10 mm銑刀（懸長要求夾到最短）按輪廓編程的方式加工，直徑尺寸按下差加工。第二層使用φ20mm銑刀（懸長要求60 mm），同樣按輪廓編程方式加工，只加工到上差。該種加工方式巧妙地將余量分布轉移為縱向安裝邊厚度，且避免了加工下層時，上層由于讓刀產生掛蹭刀桿的問題。

4.5.2 φ30 mm精孔加工方式優化

4.5.3 72處螺紋孔加工方式優化

使用M6機攻絲錐進行機攻螺紋，實現數控加工，具體程序如下。

通過對以上3處加工內容的優化，鉆前安裝邊孔、銑花邊工序預計加工時間為456 h，第一臺實際加工時間為96 h，第二臺實際加工時間為93 h，加工效率提升383%。

4.6 精銑內型面

該工序加工內容為銑加工內型面大面，按照傳統加工方式，使用φ20 mm球刀加工，仿真時間為7.5 d，加工周期極長。經研究，決定使用φ20 mm R6.5銑刀進行加工，在表面殘余高度保持不變（即0.003 mm）時，刀軌密度比φ20mm球刀的刀軌減少極多。仿真時間縮短至17h即理論加工時間縮短至未優化前的9.5%。

經分析，使用球刀加工時，刀具切削的位置始終是球面理論的最高點，在加工面面積較大時，刀軌就會極為密集。而φ20 mm R6.5銑刀與零件面為面接觸，因此刀軌密度較球刀刀軌稀疏。雖然刀具與加工面為面接觸，但加工面直徑較刀具直徑大極多，零件表面殘留極少，可忽略不計（經計算殘留僅為0.012 mm）。精銑工序預計加工時間為181 h，第一臺實際加工時間為19 h，第二臺實際加工時間為22 h，加工效率提升783%。

5 技術方案驗證

5.1 優化前、后加工時間對比及統計

通過現場驗證，收集優化后2臺份零件加工時間與優化前加工時間對比，見表1。

表1 優化前后實際加工時間統計

經統計，未優化前的理論加工時間為1 431 h，經優化后第一臺加工時間為657 h，第二臺加工時間為647 h。加工時間縮短了774 h～784 h，極大地提升了加工效率，滿足了生產需求。

5.2 優化過程作用的加工技術

在具體優化過程中，運用了多種先進加工技術，例如No.55精車前端工序，運用了陶瓷刀片應用技術以及斷屑車加工技術；No.60精車后端工序，運用了陶瓷刀片應用技術；在對NO.75精銑外型面的處理中，運用了R參數編程和機攻螺紋、螺旋銑技術；對NO.80的鉆前安裝邊孔、銑花邊的加工工序，采用大余量花邊的銑削技術、機攻螺紋、螺旋銑技術；對NO.85鉆后安裝邊孔、銑花邊的加工工序，采用較大余量花邊的銑削技術。精加工效率提升2倍多，加工周期較優化前的仿真時間縮短至少30 d。同時也積累了較寶貴的加工經驗具體如下：1）為后續陶瓷刀片在加工高溫合金材料方面積累了加工經驗[3]。2）為機攻螺紋在高溫合金材料的深孔、淺孔的加工積累了經驗。3）為大余量花邊的加工方法提供了加工經驗。4）為后續的內型面銑削時的刀具選擇提供了加工經驗。

6 結語

該文以某后承力框架外環為加工載體，對所有精加工工序進行逐步分析，總結加工難點，提出解決方案。優化方案分別從工藝路線、工裝夾具、刀具選擇和走刀路線等多個方面進行全方位的論證。通過細致地分析、討論和優化，最終擬定出一套切實可行的優化方案，最終保證了零件合格交付。滿足裝配要求并有效地提高零件的加工效率，大大縮短了零件的加工周期，為以后類似結構、材料零件的順利加工積累寶貴經驗。