淺談提高某環形機匣合格率的方法

陳亞莉 于新峰 王 婷

（1.空裝駐沈陽地區第二軍代表室，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

某環形機匣零件采用某鎳基高溫合金材料鍛造形成，具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，650℃下的屈服強度居變形高溫合金首位。該薄壁零件在以往的加工結果中，自由狀態下后端精密孔位置度可達0.42mm。該研究旨在尋找合理有效的加工方法，確定切實可行的工藝路線，在152mm高度下保證前后端同軸度。

1 研究內容及目標

某環形機匣屬于高溫合金鍛造環形機匣，該零件相比前一狀態結構更加復雜，三維模型如圖1所示，其最大直徑Ф938mm、最小直徑Ф818mm、高度152.5mm、壁厚2mm，屬于典型薄壁環形機匣，直徑公差0.056mm，前后端精密孔位置度0.02mm/0.03mm，外圓存在1處孔探儀安裝座和8處引氣管安裝座。該類型機匣零件在以往的加工中，自由狀態下后端精密孔位置度可達0.42mm，如何規劃合理的工藝路線和優化工藝方法保證零件后端精密孔的位置度，是該研究的重點。

圖1 某環形機匣零件三維模型

該研究從工藝路線、工裝結構、加工刀具和走刀路線等方面著手，探索出保證該零件精密孔位置度合格的加工方法。

2 問題分析

該環形機匣材料硬度大、自身剛性差、結構復雜、缺少相關加工經驗，同時該零件需求量較大，加工周期緊張。

3 技術方案驗證

3.1 設計協同階段

根據設計圖紙，繪制氣球圖，用于后續零件結構特點及加工難點分析。通過對零件設計圖紙的解讀，查找相關加工難點及風險點如下：1）加工時因壁厚薄，銑加工時徑向力大易導致零件變形，因此須派制帶輔助支撐的專用工裝，減少銑加工帶來的應力變形[1]，同時采用先進數控加工技術降低銑加工變形影響。 2）零件材料硬度大，現有刀具加工困難。零件材料為鍛造高溫合金，其機械加工性能差，刀具易崩刃，且易與合金中的元素發生反應，為保證零件能順利生產，需要進行不同廠家、不同規格、不同材質的刀具試驗。3）部分尺寸結構特殊，常規方法無法測量。對常規方法無法檢測的尺寸，選用三坐標測量，同時為保證生產周期需求，數控設備可以保證的尺寸優先選擇首末件檢查。對個別工序中無法直接保證的尺寸，可以通過尺寸鏈換算及適當縮嚴公差進行間接保證[2]。

3.2 工藝試制階段

作為典型的薄壁機匣件，為保證零件尺寸合格，最重要的是控制零件變形，零件變形可以大概分為本身毛料的內應力以及加工中的應力變形2個方面。

該零件毛坯為鍛造件，針對毛料本身內應力，加入半精車、半精銑工序，逐步釋放應力，消除上工序的變形量，減少毛料內應力影響。針對加工中產生的應力變形，從減少加工應力和控制應力對零件影響等方面開展工作，通過螺旋銑等先進加工方式減少產生的加工應力，采用車銑復合、輔助支撐的方法來控制應力產生的影響[3]。

3.2.1 薄壁機匣變形控制研究

3.2.1.1 梳理工藝路線，調整加工順序

為減少加工變形對設計基準和后端孔位置度的影響，進行工藝路線優化，具體調整內容如下：1）增加修基準工序，半精車的腐蝕檢查后，精車前增加一道修基準工序，進一步控制精車工序加工基準；2）調整設計基準加工順序，將銑加工凸臺及孔內容調整至內圓基準加工前，縮嚴銑加工凸臺工序孔位置度要求，減少銑加工對設計基準的影響，保證最終設計基準精度；3）調整精密孔加工順序，調整鉆鉸前后端精密孔為最后2道機加工序，減少其他加工對零件變形和精密孔位置度的影響；4）保證車銑加工順序，同設計協調，調整該機匣零件型面尺寸，保證先精銑型面再精車后端，保證銑加工時零件剛性，并通過車加工進一步消除銑加工引起的零件加工變形。

3.2.1.2 改進加工余量，降低銑削變形

原粗銑工序去除余量較小，穩定處理后銑加工仍需去除大量余量，易導致零件變形。將銑加工大部分余量調整至穩定，調整后銑外型面余量可減少21mm，減少穩定處理后大余量銑削產生的應力變形。

3.2.1.3 設計穩定裝夾方案，增強零件加工剛性

后端孔加工時加工部位距支撐面較遠，剛性較差，設計穩定裝夾方案，進行多點限位和支撐，如圖2所示，加強后端孔加工系統剛性，減少加工變形，保證后端孔加工精度。

圖2 某環形機匣夾具裝夾示意圖

原加工方案中加工端面孔時，采用輔助支撐結構支撐下端面，防止加工中端面產生沿軸向變形，但在實際加工端面孔后發現，零件端面端跳變形不大，而加工孔后因零件端面原應力結構被破壞，圓周方向會產生較大變形，若采用該輔助支撐，因頂緊產生的摩擦力會在加工過程中限制零件變形，最終會導致零件卸下后會產生二次變形而使端面孔位置度變差。不采用改結構加工，零件會因加工孔產生變形，但隨孔逐漸加工擴大，會逐步修正孔位置度，最終保證限位檢測時孔位置度。不使用該輔助支撐加工2臺零件后，限位工裝下測量端跳為0.016mm和0.027mm（要求0.05mm），滿足要求。

3.2.1.4 測定機床精度，優選加工設備

為排除機床自身精度對零件加工的影響，開展優選高精度機床工作，根據測定機床的定位精度和重復定位精度，最終選定現場高精度設備加工。

3.2.2 高效低應力銑加工技術研究

3.2.2.1 全流程工序仿真，分析理論變形規律

對零件進行工序級工藝仿真分析，零件后端車加工內容多、去除量大，加工后產生較大應力，變形較大，須控制加工過程中零件應力的釋放，控制最終變形量；銑加工型面后的車加工出現應力集中現象，產生偏心變形，須優化銑加工工藝，控制應力集中。

3.2.2.2 細化操作步驟，控制車削狀態

車加工變形控制是零件變形控制的重要環節，通過拆分加工工序，前后端反復車削，并在加工過程中設置應力釋放點，讓零件自由釋放應力，以控制車加工后零件最終狀態。為規范車加工操作，制作車加工操作步驟細化說明書，主要內容如下：1）加工前自由狀態測量。加工前自由狀態下測量零件上端面端跳及圓跳，記錄在流卡后的記錄表內；2）加工前檢查。加工前使用塞尺測量零件基準面跳動，若基準面跳動不滿足要求，則重新修平；3）裝夾零件：按照工藝規程找正壓緊零件，壓緊時基準面墊塞尺，不允許懸空壓緊；4）加工前限位狀態測量。加工前在壓緊狀態下測量零件上端面端跳及圓跳，記錄在流卡后的記錄表內；5）粗車加工。按數控工步卡進行加工，每刀上刀量不大于0.2mm，全型面尺寸預留0.2mm~0.5mm余量；6）中間過程松壓板。粗加工后，將零件壓板松開，卸下零件后放置1h~2h。松開壓板后須將零件移開原位置進行放置；7）二次裝夾。將零件重新按工藝規程找正壓緊，壓緊時基準面墊塞尺，不允許懸空壓緊；8）精車加工。按數控工步卡繼續加工剩余的0.2mm~0.5mm余量，每次上刀量不大于0.1mm；9）加工后限位狀態測量。加工完畢后在壓緊狀態下測量零件上端面端跳及圓跳，并作好記錄；10）加工后自由狀態測量。松開壓板，卸下零件，自由狀態下測量零件上端面端跳及圓跳，并作好記錄。

3.2.2.3 采用對稱銑加工，均勻釋放應力

零件外型面分布8處引氣孔凸臺，原采用普通順序銑方式加工，因應力釋放不對稱，導致零件變形較大。經研討分析，該結構可采用對稱銑加工，均勻釋放銑加工應力，減少零件變形情況。

加工過程中，將銑型面工步拆分為粗、精銑，借鑒分層低應力銑削特點，局部型面不直接加工到位，采用完整型面逐層銑削的方式，如圖3所示，全型面逐步上刀去除余量，使加工應力均勻釋放，減少因應力釋放造成的變形。

圖3 逐層銑削方式加工仿真

3.2.2.4 優化孔加工方案，提高孔加工質量

為控制孔系偏心量，須著重控制前后端孔的加工方法，對加工的各個環節進行優化： 1）加工前校正機床零點，消除機床主軸定位誤差。加工前校正機床，為進一步消除機床自身誤差對零件加工的影響以及廠房溫度差異對機床定位零點的影響，加工前對機床進行零點校正。2）優化找正方案，將工作臺旋轉找正改為精度更高的主軸旋轉找正。因機床X、Y、Z坐標軸的精度優于工作臺C軸精度，這使點位加工方案要優于旋轉工作臺加工，采用點位加工方式若加工前找正為旋轉工作臺找正零件，該找正方式進行點位加工會存在機床零點與主軸零點誤差，該誤差會累計進孔偏心量內，采用旋轉主軸找正零件，該方案進行點位加工會消除零點誤差。3）孔加工方案由順序銑改為對稱銑，均勻釋放應力，控制孔系偏心量。某機匣零件鉆鉸前、后端孔工序原加工方案為順序銑加工方式，該方案應力釋放不一致，經討論該加工方案可能是導致后端孔產生偏心的原因之一，因此將前、后端孔加工方案改為對稱銑，不會因一側應力釋放而導致整體孔發生偏心。4）端面孔預留余量模擬加工，在限位工裝上驗證精密孔系加工方案，通過調整主軸零點位置補償孔系偏心量。加工過程中，為降低鉆孔后零件應力產生的變形對孔位置度的影響，同時為收集孔加工過程中偏心數據，加工時不直接將孔加工到位，而是單邊留1mm余量，先加工至Φ6mm孔，卸下測量，而后再加工至Φ8mm孔再進行測量。5）優化走刀路線，提高加工質量。

在銑加工外型面時，原加工方案為一次走刀加工全部區域，在UG軟件及仿真模擬中刀路無問題，但在實際半精加工過程中發現轉接R處有過切現象。優化后將該刀路改為分3步加工，如圖4所示，轉接R圓角單獨進行，加工后零件表面質量良好。

圖4 分步加工走刀路線仿真圖示

試驗銑加工參數，保證粗糙度合格。零件前端面和8處引氣孔凸臺表面為保證裝配后氣密性，要求加工后的表面粗糙度Ra0.8μm，通過與專家討論，為保證表面質量，避免多次排刀產生的接刀破壞表面完整性，采用連續銑削方式，最終確定為圓周方向走刀加工。現場加工后使用粗糙度儀進行測量，車加工后的表面粗糙度Ra0.3μm~Ra0.5μm，銑加工采用主軸轉速S為1200r/min、進給速度F為20mm/min的參數加工，加工后的表面粗糙度為Ra0.4μm~Ra0.6μm，滿足設計要求。

3.3 薄壁機匣限位檢測研究

針對某環形機匣提出的限位檢測要求，首先確定限位工裝方案，盡可能保證限位工裝狀態和裝配狀態一致，經與設計以及各團隊專家討論，確定限位工裝方案為以零件前端內圓和端面為基準，輔助固定后端端面和外圓。

測量時，須限位檢測的尺寸，除在限位工裝上進行檢測外，還額外進行自由狀態測量，收集限位與自由狀態數據，總結限位檢測經驗。

從測量數據可知：1）端面孔位置度。限位狀態下基本為0.1mm，較自由狀態改善了約0.1mm，限位工裝作用明顯；2）端面平面度。限位狀態基本為0.03mm，較自由狀態改善了約0.07mm，限位工裝能起到很好的限位作用；3）圓跳動。限位狀態下基本為0.1mm，較自由狀態改善了約0.03mm；4）徑向形位公差。限位狀態下與自由狀態數據基本一致，限位工裝對徑向孔位置度和平面度等基本無影響；5）裝配后形位公差。通過對比裝配后端面孔位置度和后端面跳動，限位工裝下與裝配后數據基本一致，限位工裝接近模擬裝配作用。

3.4 新件試制結果

在貫徹上述所有措施后，研制臺份最終測量數據：零件端跳在0.02mm左右，后端孔位置度在0.3mm左右，綜合偏心量在0.06mm左右，比較更改前某機匣零件位置度0.44mm、偏心量0.1mm左右，狀態有明顯改善。

4 結論

通過該技術研究，筆者掌握了某環形機匣零件的變形控制加工方法，實現薄壁環形機匣零件的低應力高精度機械加工，零件精密孔的偏心量得到了有效控制；結合理論研究內容與零件最終狀態的實際檢測數據，該技術研究的工藝控制措施合理可行，可有效地控制該類型環形機匣零件的加工變形和后端精密孔的偏心量，該技術成果可以推廣至類似結構的薄壁環形機匣類零件的研制和批量生產中，為后續同類零件的機械加工提供了切實可行的技術支持。