某新結構機匣機械加工工藝研究

徐 林 于 浩 李 健

（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

某機匣類零件的質量穩定性對發動機整機性能有較大的影響，該機匣傳統結構采用焊接成型方式，但焊接后的零件變形量顯著增加，個別安裝邊位置的跳動量超出設計要求，無法滿足零件的使用要求，且焊接位置極易產生裂紋，出現破壞性故障，對發動機的影響較大。為消除焊接對該類機匣零件的影響，某新結構裝配式機匣的研制加工成了發動機性能改進的重點。

通過對該類零件結構的調整，其焊接量顯著減少，但由于裝配式結構加工經驗不足，在研制過程中存在裝配過程問題多、操作難度大等問題，缺少類似結構零件的加工經驗，須對新結構機匣的加工研制過程進行研究，制定出一套滿足其使用要求的技術方案。該研究旨在尋找合理有效的加工方法，通過切實可行的工藝路線完成零件研制。

1 研究內容及目標

某新結構機匣采用鈦合金材料鍛造形成環形毛料，后續通過機械加工及組件裝配的方式形成輪輻式結構機匣組件，目前缺少類似零件的加工經驗，通過查找零件加工風險點及加工難點、研究合理的加工路線、采取先進的數控加工方法、實施有效的零件變形控制措施，摸索出適合該新結構機匣機械加工的技術方案，形成成熟、穩定的加工工藝，完成零件研制加工。

筆者對工藝方案、工裝方案、數控加工方案進行研究并應用于實際加工，快速去除鈦合金鍛造環形件的大切深材料[1]，完成支板裝配式新結構的輪輻式機匣的加工及裝配，保證該類零件順利加工并合格交付，為后續同類型零件的研制生產提供技術支持。

2 開展的試驗工作

某新結構機匣首次在該系列零件上采用鈦合金鍛件作為毛坯，外環全型面特征采用機械加工的方式完成，外環、內環及支板由裝配關系形成組件，取消原系列零件上大量的焊接內容。該新結構機匣零件屬于薄壁結構，零件外型面壁厚尺寸較小，為薄壁回轉結構；該機匣分布共21處徑向21邊形斜面，斜面上共分3種凸臺，內環共21處斜面及窩配合特征，后端型面分布有21處均布斜孔，環帶分布21處“T”形槽。零件從毛料狀態到最終狀態須去除材料122.59kg，材料去除率達76.62%，銑加工余量大且分布不均勻，最大位置銑加工余量為17mm，且公差要求嚴格，車加工尺寸公差最小為+0.066mm，且其圓周跳動要求為Φ0.08mm。由于該機匣裝配結構限制，型面加工配合尺寸精度要求高、余量大，因此須根據外型尺寸制定高效的數控銑削加工方案，提高材料去除效率，保證銑加工型面尺寸精度[2]；零件共54個DS螺紋，該螺紋標準為直九專用鋼絲螺套技術條件。裝配組件內環為分瓣式結構，支板懸長大（375mm），零件剛性差，并且為斷屑車加工，須摸索該零件的斷屑車加工切實可行的方案。

根據上述分析，可總結以下加工難點：1）相比傳統某機匣，銑加工量顯著增大，如圖1所示，且存在加工余量不均勻的問題，工藝路線須重新制定及調整；2）裝配式機匣車加工精尺寸最終公差為+0.066mm、-0.2mm，且由車加工工序保證，零件壁厚薄，加工難度大，加工時易變形，需要制定合適的加工余量、切削參數及裝夾定位方法保證精密尺寸車加工合格[3]；3）傳統某機匣件精車加工后在端面加工一個基準孔，供后續加工找正，該方法不適用于改某機匣，因此須重新制定角向傳遞方案；4）由于零件按型面材料去除量大，須尋找高效的銑加工方案；5）裝配式內環為分瓣結構，支板懸長大，零件剛性差，并且斷屑加工。須制定合理的工藝路線、加工方案、裝夾方案以保證零件尺寸精度，減少零件變形并完成零件加工。

圖1 新結構機匣加工難點分析

3 研制加工過程

3.1 制定合理的工藝路線

結合零件加工特征確定加工主要流程。單件型面銑加工余量大且不均勻，因此安排粗銑加工，保證精銑加工余量去除均勻，零件腐蝕檢查須試環，毛料余量大，安排切試件工序，穩定處理后安排半精車、精車工序，車加工完成后進行精銑、鉆孔工序。

針對零件加工可能存在的變形，進氣匣總體工藝方案的制定遵循余量均布原則，盡可能地保證各工序機加余量均勻，此外還考慮如下因素：1）主要涉及的加工方法有車銑加工、鉆鉸孔、銑螺紋；2）從零件結構分析，該機匣大部分余量的去除集中在粗、半精加工工序；3）針對車、銑工序，特別是粗車工序，從零件剛性、裝夾穩定性、實際可操作性等方面考慮，預留工藝邊，這樣增加了后續工序零件裝夾的穩定性；4）考慮粗車工序的加工順序、去除余量的先后，使工序的剛性增加；5）在保證整體剛性足夠的條件下，使銑、車余量一致；根據零件結構、壁厚和剛性，選擇銑加工保證壁厚還是車加工保證壁厚；所有車、銑加工完成后，進行鉆鏜孔、銑螺紋、銑槽。

加工過程方案制定如圖2所示。

圖2 新結構機匣加工工藝路線圖

組件為裝配式結構，所有機加尺寸在單件上加工到位，與批產進氣相比零件不再留余量，在會簽時要求裝配廠余量分配2mm的車加工余量。

組件工藝路線安排：零件加工量較少，按先加工基準后進行精加工的原則制定單工序工藝路線。

3.2 角向傳遞方案制定

零件角向須在粗銑-精加工-組件加工之間傳遞，角向傳遞方案制定如下：1）粗銑加工不涉及端面特征，選取一徑向孔帶余量加工為精孔供后續精銑找正。2）在第一道精銑按設計圖基準加工出端面基準孔，加工至精孔后，進行后續型面銑加工及測量。3）針對組件銑加工特征，須找正后端偏置孔，因此在鉆后端面孔工序加工精孔供組件使用。

3.3 車加工方案

機匣最終車加工精尺寸的公差帶：上偏差0mm、下偏差-0.066mm，且由車加工工序保證，零件直徑大，壁厚薄，加工難度大，加工時易變形。1）穩定處理后安排一道修基準、兩道細車工序保證精車加工基準準確、余量均勻。2）穩定處理后安排一道修基準、兩道細車工序保證精車加工基準準確、余量均勻。3）擬選用直徑標準件及測量，保證車加工及測量尺寸準確。

3.4 精銑加工方案

零件所有內外側型面均需銑加工完成。粗銑加工去除余量后，精銑加工的余量均勻分布，無須考慮刀軸方向的分層進刀，為保證精銑加工后的尺寸精度及表面質量，重點進行周向刀路的排布及銑加工殘留高度的計算。同時為保證精銑加工的裝夾系統穩定性，根據零件裝夾定位方式及配合面尺寸，提前制備鋁盤進行輔助裝夾，使用鋁盤對零件承力位置進行面支撐，在可能存在的走刀干涉位置預留豁口以便于零件的裝夾、加工及檢測。為保證精密尺寸的加工精度，同時考慮零件的加工效率，制定加工方案，并在加工過程中對程序進行調整。程序加工主要包括以下特征：1）外型平面及螺紋孔、通孔；2）T型槽；3）方形凹臺及螺紋孔；4）新規格DS螺紋；5）圓形形安裝座及螺紋孔；6）方形凸臺及螺紋孔。

針對不同的數控加工特征，須分別制定加工方案，派制相適應的機加刀具，根據零件尺寸、加工設備特性以及刀具規格確定相應的數控加工方法，使零件高質量、高效加工。

3.4.1 外型面加工

粗銑后零件加工余量均勻，不再進行徑向分層，如圖3所示，可減少刀路的分層排布、提高加工效率。

圖3 銑加工效果示意圖

考慮后續的裝配關系，對斜面的尺寸要求較高，因此首先銑加工外型面安裝座，然后銑加工外側大尺寸平面，保證外側平面上無加工接刀。

3.4.2 精孔及螺紋孔加工

斜孔加工先使用銑刀螺旋銑去余量，后使用可調鏜刀鏜孔。

零件涉及DS類型螺紋，目前廠內無此類型螺紋的加工經驗。按螺紋特征尺寸選購專用DS螺紋銑刀，制定螺紋底孔加工及銑螺紋加工方案，與工裝設計人員研究，按螺紋標準派制DS專用螺紋銑刀及量規，完成零件加工。

3.4.3 內型面加工

內型面加工程序主要包括內型面跑道型槽、圓弧面槽邊倒角及裝配配合用斜孔，內型面加工及裝配狀態如圖4所示。

圖4 內環銑加工及裝配效果圖示

內型面跑道槽深度較大，一次進刀加工刀具無法承受切削力，為兼顧加工質量及加工效率，使用棒銑刀進行軸向分層銑加工，每層余量單邊0.2mm，并于全表面預留0.1mm余量，在進行完畢深槽加工后，對最終余量進行光整加工并加工至最終尺寸，確保深槽側壁無環狀加工紋理。深槽加工完畢后，在深槽內側槽邊緣圓弧面位置銑加工隨型倒角，便于后續支板在該位置的裝配。裝配配合用斜孔采用棒銑刀進行螺旋插補銑加工的方式去除中心余量，之后進行鏜孔加工至最終尺寸。

3.5 組件加工方案

裝配式內環零件剛性差，須合理選用工裝以提升零件剛性，控制零件變形。某機匣組件為減少研制成本，使用裝配廠夾具進行修基準車加工，其余派組合夾具進行。

從車前端工序到最后的鉆孔銑螺紋工序都使用組合夾具對內環進行輔助支撐。裝夾方案：在零件內環處對每個支板分別進行輔助支撐，外環采用止口裝夾。零件為分瓣結構，支板懸長大，零件剛性差，并且斷屑加工。 1）修基準工序底面高低差0.4 mm~0.6 mm，對每個支板分別進行輔助支撐，在自由狀態下裝夾每個支板并壓表后再進行擰緊輔助支撐，調整每個支板，保證壓表高度差0.25mm相同，留余量0.5mm加工。 2）松開輔助支撐，零件回彈后，重新進行壓表裝夾保證壓表高度差0.02mm相同。 3）重復進行車加工，消除第一加工造成的零件軸向變形； 4）在研制加工過程中需要不斷調整斷屑加工的加工參數，去除余量的加工參數為ap0.3mm、F0.3mm/r、S30r/min，精加工參數為ap0.1mm、F0.3mm/r、S30r/min，保證零件加工尺寸及表面粗糙度，并保證零件自由狀態平面跳動。

組件鉆孔工序中，在夾具組裝時，將零件加工自由狀態實際軸向尺寸傳遞至組合夾具站，按實際值進行組合，來提升提高裝夾穩定性，提升接觸面配合質量。零件涉及位置度0.02mm的精密孔，派制專用鉸刀完成零件加工。

4 研究成果應用情況

本次攻關成果及應用情況如下：1）余量去除較大的粗銑加工不建議使用組合夾具，加工穩定性差，影響加工效率；2）DS螺紋加工可根據螺紋標準派制螺紋銑刀，使用銑螺紋程序模板完成程序編制及現場加工；3）組件斷屑車加工，零件剛性差，采取壓表方式裝夾，去除余量后重新進行壓表裝夾，重復進行車加工，零件裝夾造成的軸向變形，保證零件加工尺寸及表面粗糙度；4）裝配式內環零件剛性差，需合理選用工裝以提升零件剛性，控制零件變形。在零件內環處對21個支板分別進行輔助支撐，外環采用止口裝夾，同時在夾具設計時，考慮到內環的高度定位尺寸是一直變化的，在夾具結構中增加高度調節環，來提升夾具的通用性。

5 結論

該研究通過合理安排工藝路線、派制組合夾具、外購非標刀具、現場問題快速反應等有效措施，首臺零件的加工合格，完成了該新結構機匣的研制加工任務。通過對新結構機匣首臺研制加工過程進行分析，制定出一套合理的加工路線、先進高效的加工方法，實現了結構改進的機匣類零件的機械加工及組件裝配，保證新品零件交付合格，滿足了發動機性能改進的需求，為后續該類型新結構機匣的批產改進奠定了堅實的基礎。