高溫合金支臂異形零件加工工藝和切削參數(shù)優(yōu)化

陳錫輝，郭小玲，劉 波，劉 鑫

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院，四川 成都 610100；2.成都航利航空科技有限責(zé)任公司，四川 成都 611937）

0 引言

高溫合金支臂是航空發(fā)動機(jī)上常用零件，需求量大。此類零件具有外形復(fù)雜、壁薄、材料難加工和尺寸精度及位置精度要求高等典型特征，傳統(tǒng)加工時(shí)材料去除率達(dá)到90%以上，零件變形量難以控制。因此，有效控制該類零件加工變形量，提高加工效率和合格率，降低支臂類零件加工成本對保證航空發(fā)動機(jī)質(zhì)量，促進(jìn)我國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展具有重要意義。

本研究在分析高溫合金支臂類異形零件加工方案上，針對實(shí)際加工過程中影響加工變形量、尺寸精度、加工成本和加工效率的問題提出新的解決方案：合理排版以增加材料利用率，采用低成本和低切削力的線切割方式進(jìn)行零件粗加工；并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，優(yōu)化工裝夾具及成型刀具，采用四軸加工中心實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成零件多要素精加工；采用Vericut 對加工刀具進(jìn)行金屬切削參數(shù)實(shí)驗(yàn)，獲取刀具在實(shí)際切削過程中各處的切削力，對各處切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)切削參數(shù)。通過對加工工藝的優(yōu)化，使得零件表面質(zhì)量和尺寸精度得到有效控制，而且加工效率及合格率得到明顯提高[1]。

1 產(chǎn)品要求

零件材料為高溫合金4169，支臂零件呈反“Z”字形，并單向偏斜30°，零件尺寸為長185 mm，寬46 mm，高48 mm，厚度5 mm。該零件空間結(jié)構(gòu)呈反“Z”字形，尺寸A為43±0.04 mm，如圖1 所示。

圖1 支臂零件結(jié)構(gòu)

支臂類異形零件小批量試制加工方案為：①線切割下料（190 mm × 50 mm × 50 mm）→②粗銑六方體（作工藝夾持孔）→③四軸加工中心粗加工外形及型腔（需專用夾具，各處余量0.8 mm）→④去應(yīng)力失效→⑤修裝夾定位基準(zhǔn)→⑥精加工型腔及表面→⑦線切割去除工藝凸臺→⑧外形精加工及非對稱“V”型環(huán)形槽（需五軸加工中心及專用夾具）→⑨成品檢查。零件粗加工仿真結(jié)果見圖2。

圖2 零件粗加工仿真結(jié)果

2 工藝分析

通過對原加工方案進(jìn)行分析，得出如下問題：①支臂零件毛坯為板料，下料長度185 mm，寬80 mm，厚度50 mm，粗加工材料去除量高達(dá)90%以上。②零件材料為高溫合金4169，國際牌號Inconel718。高溫合金4169 可以說是高溫合金系列中最難切削的材料。主要表現(xiàn)為加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具磨損快、生產(chǎn)效率低[3]。零件型腔結(jié)構(gòu)決定了加工能采用的刀具直徑較小。即便制造專用夾具配合四軸加工中心從不同方向切削，部分刀具伸出長度仍然長達(dá)30 mm 以上，刀具切削能力和刀具壽命大大降低。③高溫合金4169 材料難加工，單件粗加工切削時(shí)間長達(dá)124 min。④零件呈反“Z”字形，并單向偏斜30°，壁厚僅5 mm，銑削切除多余材料，零件結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，零件尺寸A（圖1）變形量難以得到有效控制，10%產(chǎn)品尺寸A 在粗加工后變形量高達(dá)1 mm 以上。⑤精加工時(shí)產(chǎn)品銑削表面多處有顫振現(xiàn)象，粗糙度不能穩(wěn)定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之間，需要人工拋修。⑥加工非對稱“V”型環(huán)形槽，需采用五軸加工中心、專用夾具及專用刀具，加工效率低。刀具鋒利時(shí)，加工出的產(chǎn)品表面粗糙度基本滿足要求，刀具輕微磨損時(shí)，表面粗糙度無法滿足要求，存在較大報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。

3 零件加工工藝

通據(jù)前期生產(chǎn)100 件情況來看，按該加工方案加工產(chǎn)品，產(chǎn)品最終合格率僅72%。該零件加工方案急需進(jìn)行工藝優(yōu)化改進(jìn)[2]。可優(yōu)化改進(jìn)點(diǎn)分析如下：①粗加工材料去除率高達(dá)90%以上；②高溫合金4169 銑削刀具磨損快，加工效率低；③粗加工銑削時(shí)間長；④粗加工時(shí)零件尺寸A（圖1）變形量難以控制；⑤精加工時(shí)產(chǎn)品銑削表面多處存在顫振現(xiàn)象；⑥精加工時(shí)非對稱“V”型環(huán)形槽，加工效率低，刀具消耗大且產(chǎn)品表面粗糙度難以滿足要求。因此，該零件加工工藝優(yōu)化主要從工藝流程優(yōu)化、毛坯規(guī)格優(yōu)化、粗加工切削方式優(yōu)化、成型刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切削參數(shù)優(yōu)化五個(gè)方面進(jìn)行。

3.1 加工工藝流程優(yōu)化

高溫合金4169 支臂異形零件在粗銑加工時(shí)存在諸多弊端，因此，在工藝流程優(yōu)化過程中，縮小單件毛坯規(guī)格，并將粗加工銑削加工方式更改為線切割方式，減少粗加工時(shí)刀具消耗和高價(jià)值設(shè)備占用時(shí)間；在非對稱“V”型環(huán)形槽精加工時(shí)，將五軸加工設(shè)備更改為三軸加工中心，更改專用刀具為成型刀具，采用常規(guī)鉆削方式完成，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，加工成本更低。

優(yōu)化后的加工工藝流程：①鉗工加工穿絲孔→②線切割下料（各處余量0.6 mm）→③去應(yīng)力失效→④修定位基準(zhǔn)⑤四軸加工中心側(cè)刃銑削精加工厚度5 mm 尺寸→⑥線切割去除工藝凸臺→⑦三軸精加工外形及非對稱“V”型環(huán)形槽→⑧成品檢查。

3.2 毛坯規(guī)格及粗加工切削方式優(yōu)化

選取厚度為100 mm 的板料，排版并加工穿絲孔。線切割下料按兩工步執(zhí)行，可加工產(chǎn)品10 件，材料去除率由90%下降為50%。工步一下料如圖3（a）所示，工步二下料如圖3（b）所示。

圖3 線切割下料及粗加工

采用該方案下料，下料后無需進(jìn)行銑削粗加工工序，節(jié)約了粗加工工序四軸加工中心銑削時(shí)間124 分鐘/件；支臂異形零件為高溫合金4169，該材料極難切削，刀具消耗大，采用該方案下料可節(jié)約全部粗加工刀具成本及高附加值加工中心設(shè)備占用時(shí)間。同時(shí)，線切割加工切削力小，去應(yīng)力失效后，零件尺寸A 變形量均在0.6 mm 內(nèi)，利于精加工時(shí)零件質(zhì)量控制。

3.3 成型刀具優(yōu)化

非對稱“V”型環(huán)形兩側(cè)面角度公差為40°±0.5°和70°±0.5°，槽深2 mm，表面粗糙度要求為Ra0.8。非對稱“V”型環(huán)形槽如圖4。

圖4 非對稱“V”型環(huán)形槽

通過對成型刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可直接采用三軸加工中心的簡單孔加工指令完成非對稱“V”型環(huán)形槽一次成型加工。通過提高切削線速度，添加槽底刀具駐留時(shí)間1 s，產(chǎn)品表面粗糙度得到明顯改善。通過縮短切削路徑，加工效率得到極大改善，單間加工時(shí)間由4 min 縮短至8 s；優(yōu)化后，刀具壽命由加工3 件提高至28 件。優(yōu)化后成型刀具示意圖如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后成型刀具結(jié)構(gòu)

3.4 切削參數(shù)優(yōu)化

利用前期無明顯缺陷的報(bào)廢產(chǎn)品，在瑞士VCP710 型四軸數(shù)控加工中心機(jī)床上進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，采用VERICUT 仿真軟件中DoptiPath 和Force功能模塊對支臂零件型面和輪廓精加工程序進(jìn)行監(jiān)測，使編程人員能準(zhǔn)確知道刀具每次切削的深度、寬度和切削角度及各處切削力。在程序優(yōu)化階段，把刀具切削運(yùn)動分為若干小段[4]，濾除切削力極限值，實(shí)現(xiàn)各工序的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及被吃刀量的最佳值，保證刀具具有穩(wěn)定的切削力[5]。優(yōu)化前后各處主軸力對比如圖6 所示，優(yōu)化前后精加工程序?qū)Ρ热鐖D7 所示。

圖6 優(yōu)化前后各處主軸力對比

圖7 優(yōu)化前后精加工程序?qū)Ρ?/p>

程序優(yōu)化后零件切削過程平穩(wěn)，程序運(yùn)行時(shí)間縮短18.2%，刀具壽命也有一定提高，零件表面粗糙度穩(wěn)定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之間，滿足零件設(shè)計(jì)要求。

4 改善效果對比

采用改進(jìn)后的工藝連續(xù)生產(chǎn)100 件零件，與原加工工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，可以看出：

（1）零件合格率明顯提升，由原工藝的72%提高到100%。

（2）材料利用率大大增強(qiáng)，由原來的不到10%提高到50%。

（3）生產(chǎn)效率提升顯著，由2h/件提高到1.2h/件。原零件粗加工設(shè)備由四軸加工中心更換為普通線切割和臺式鉆床，單間加工時(shí)間由2h/件，提高到12 小時(shí)加工10 件，折合1.2h/件。

（4）生產(chǎn)成本降低明顯，單件生產(chǎn)成本降低了62%。原加工工藝粗加工階段高價(jià)值加工中心占用時(shí)間較長，銑削刀具消耗極大。優(yōu)化后粗加工階段僅采用低成本的線切割和臺鉆即可完成零件粗加工。加上，成型刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后刀具壽命由加工3 件提高至28 件。按本單位設(shè)備、人員、刀具、耗材價(jià)格測算，單件生產(chǎn)成本降低了62%。

（5）零件變形量明顯改善。優(yōu)化后粗加工去應(yīng)力失效后，尺寸A（圖1）最大變形量均在0.6 mm 內(nèi)。精加工時(shí)無需再根據(jù)每件零件變形量，單獨(dú)編制精加工程序，利于精加工時(shí)零件質(zhì)量控制。

（6）非對稱“V”型環(huán)形槽表面粗糙度滿足零件要求Ra0.8，切削穩(wěn)定。成型刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可直接采用三軸加工中心的簡單孔加工指令完成加工，添加槽底刀具駐留時(shí)間1 s，產(chǎn)品表面粗糙度得到明顯改善。

（7）精加工切削參數(shù)優(yōu)化效果明顯。程序優(yōu)化后零件切削過程平穩(wěn)，程序運(yùn)行時(shí)間縮短18.2%，刀具壽命也有一定提高，工件精加工顫振問題完全消除，零件表面粗糙度穩(wěn)定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

新工藝改善效果明顯，可用于該類產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

5 結(jié)語

提高高溫合金支臂異性零件加工效率、減小零件加工過程中的變形、降低制造成本是高溫合金零件加工過程中的重要研究課題。 針對高溫合金支臂異性零件加工方案所存在的問題，提出加工工藝優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)適合生產(chǎn)的成型刀具、優(yōu)化切削參數(shù)，提升了零件的合格率，滿足了零件的設(shè)計(jì)要求。由線切割代替銑削加工，提高了零件材料利用率和生產(chǎn)效率，降低了零件生產(chǎn)成本；設(shè)計(jì)成型刀具，提高了非對稱“V”型環(huán)形槽切削穩(wěn)定性；優(yōu)化精加工切削參數(shù)，提高了零件表面質(zhì)量。此次工藝改進(jìn)為同類型零件生產(chǎn)提供了經(jīng)驗(yàn)，具有很高的推廣價(jià)值[2]。