某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高硬度薄壁異形環(huán)形件加工技術(shù)

賴道輝，丁博，劉軍，薛刊，甘國(guó)榮

1. 廣西科技師范學(xué)院職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 廣西來賓 546199 2. 中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110042

1 序言

近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及性能的不斷改進(jìn)和提升，環(huán)形結(jié)構(gòu)類的機(jī)匣零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的組成部分，其制造材料和結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的改變，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越先進(jìn)。環(huán)形零件一般是一個(gè)圓柱形或圓錐形薄壁筒體，具有壁厚薄、直徑大、剛度差、尺寸精度高以及強(qiáng)度高等特征，加工時(shí)從毛坯到零件加工完成，材料切除率高達(dá)90%以上[1，2]。這些特點(diǎn)給環(huán)形件加工質(zhì)量和加工效率帶來了巨大的挑戰(zhàn)，存在加工時(shí)變形大、裝夾困難、刀具磨損嚴(yán)重、加工周期長(zhǎng)及自由狀態(tài)下圓度差等問題，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配以及整機(jī)性能[3]。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)類零件加工過程的變形，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，取得了相應(yīng)的成果[4-9]，研究表明薄壁結(jié)構(gòu)類零件，在切削加工過程中隨著材料去除，剛度逐漸減弱，剛度不足引起的加工變形是影響尺寸精度的主要原因。另外，夾具裝夾不當(dāng)或夾具設(shè)計(jì)不合理也會(huì)引起加工變形，這是由于零件剛度較差，裝夾時(shí)產(chǎn)生的裝夾力導(dǎo)致零件端面的平面度變差以及薄壁處變形。此外，切削力也是造成薄壁零件變形的一個(gè)因素，切削加工時(shí)由于零件剛度不足，在切削力作用下產(chǎn)生彈性讓刀變形，主要發(fā)生在薄壁處，表現(xiàn)為圓跳動(dòng)量過大。最后，去除材料后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力釋放也會(huì)造成一定的變形，這是由于零件加工過程中，原本平衡的初始內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，因此需要通過協(xié)調(diào)變形達(dá)到內(nèi)應(yīng)力新的平衡。

以上的研究成果大多數(shù)研究集中在具有規(guī)則的外形結(jié)構(gòu)的薄壁零件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于薄壁高硬度異形環(huán)形件的研究相對(duì)較少。因此，本研究根據(jù)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的薄壁異形零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從工藝路線、設(shè)計(jì)工裝夾具和數(shù)控程序等多方面開展工作，以控制零件變形，來解決剛度不足引起的加工困難問題，最終通過加工實(shí)踐來驗(yàn)證零件的加工精度和加工效率，為類似高硬度的薄壁異形零件加工提供參考。

2 安裝環(huán)結(jié)構(gòu)及工藝性分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)特征分析

某薄壁異形環(huán)形零件尺寸外廓φ515m m×φ330m m×30m m，零件形狀十分復(fù)雜，類似于“Z”字形草帽結(jié)構(gòu)，剖視圖如圖1所示。該零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、制造要點(diǎn)及難點(diǎn)分析如下所述。

圖1 零件的剖視

1）該零件的材料為M S R R 7115，屬于鎳基高溫合金，具有較高的高溫強(qiáng)度和硬度，維氏硬度達(dá)到470HV，是一種典型的難加工材料[10]。該零件采用環(huán)鍛件毛坯進(jìn)行加工，毛坯尺寸為φ520mm×φ326mm×50mm，零件的毛坯余量大，材料去除率達(dá)到90%以上，刀具磨損嚴(yán)重。另外，由于去除大量的材料，截面尺寸和形狀變化較大，從而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力釋放以及重新分布，引起零件變形。

2）由于內(nèi)外環(huán)不在同一平面且直徑相差大，屬于懸臂式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行切削加工時(shí)，由于形狀過于復(fù)雜，在裝夾方面存在難度，壓緊面處的零件面處于懸空狀態(tài)，且無法進(jìn)行有效脹緊（見圖2），因此切削加工時(shí)易產(chǎn)生裝夾變形以及零件振顫，產(chǎn)生較大的零件變形。

圖2 切削加工裝夾示意

3）此外，在車削壁厚（1.4±0.2）mm尺寸時(shí)（見圖3），零件支撐面與被加工處距離長(zhǎng)，屬于懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂過長(zhǎng)；且零件結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致型面C處無法與夾具完全貼合，造成精車時(shí)零件振動(dòng)、讓刀，加工時(shí)不斷變形，加工完成后，從機(jī)床上取下零件，其自由狀態(tài)平面度0.3～0.4mm，無法滿足后續(xù)加工要求。

圖3 車削壁厚1.4mm示意

4）零件內(nèi)環(huán)端面壁厚為（5.5±0.15）mm，基準(zhǔn)平面A的平面度要求≤0.05mm，內(nèi)環(huán)端面相對(duì)于基準(zhǔn)面A的平行度≤0.05mm，且端面有多處島嶼和通槽，如圖4所示。此外，有一處槽口是在內(nèi)環(huán)端面壁厚（5.5±0.15）mm尺寸加工完成后，采用數(shù)控銑削加工；但是銑削加工槽口后，基準(zhǔn)平面A的平面度由原先的0.03mm變形為0.2～0.35mm，大端直徑515mm這個(gè)零件面向外張口約0.2mm，這是由于在銑削加工去除槽口后，改變了原先平面的應(yīng)力分布，導(dǎo)致應(yīng)力釋放，使零件端面產(chǎn)生變形。

圖4 內(nèi)圓端面槽口示意

5）零件的配合面要求噴涂涂層，涂層后的配合面尺寸為φ（430±0.06）mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm。采用磨削加工涂層的方法，但加工時(shí)發(fā)現(xiàn)因零件壁厚薄和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛度不足，砂輪與零件接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，需反復(fù)修整砂輪，導(dǎo)致在涂層表面留有振動(dòng)痕跡，難以滿足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。

2.2 工藝性分析

根據(jù)薄壁異形環(huán)形零件的外形結(jié)構(gòu)、尺寸和精度等級(jí)要求，確定其加工工藝路線為：毛坯鍛件→車削基準(zhǔn)→粗車一端→粗車另一端→粗銑花邊→去應(yīng)力退火→噴涂涂層→修基準(zhǔn)→精銑花邊→精車一端→精車另一端→鉆孔→成品。

零件毛坯為環(huán)鍛件，在粗加工階段，安排粗車去除大部分余量，單邊留有1mm余量用于精加工。此外，為了減少后期銑削端面花邊帶來的變形，在粗加工階段安排了粗銑花邊的工序，去除零件端面花邊的大部分余量，提前釋放加工應(yīng)力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。在粗加工階段加工工序共去除約90%的余量。其次，為了降低因切削加工帶來的內(nèi)應(yīng)力，安排去應(yīng)力退火工序。在精加工階段，修復(fù)完基準(zhǔn)后，先進(jìn)行端面銑加工，再進(jìn)行精車加工和鉆孔，可保證最終的位置度要求。

3 工藝實(shí)施方案

該零件屬于薄壁高硬度弱剛度類零件，在精加工時(shí)，如果工序設(shè)計(jì)不合理、裝夾方式選擇不當(dāng)均會(huì)造成零件振動(dòng)、彈性變形以及因受力不均產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變形。為了保證在加工過程中零件不產(chǎn)生變形，工藝上主要從合理的工序設(shè)計(jì)、防變形裝夾設(shè)計(jì)以及高速切削加工技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行保證。

3.1 粗加工階段工藝實(shí)施方案

粗加工階段主要采用數(shù)控車床進(jìn)行車削加工，毛坯尺寸為φ520mm×φ326mm×50mm。由于零件毛坯余量大，硬度高，加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，且使零件產(chǎn)生應(yīng)力變形，因此車削加工變形控制是零件變形控制的重要環(huán)節(jié)，若采用切刀快速去除余量，加工后零件自由狀態(tài)平面度為0.5mm，嚴(yán)重影響后期的加工，需優(yōu)化車削過程。針對(duì)此問題，采用擺線車削的加工方式（見圖5），使用球刀，高轉(zhuǎn)速小切削深度進(jìn)行加工。擺線車削加工是一種高效去除材料的加工方式，采用回環(huán)控制嵌入的刀具，輪廓周邊產(chǎn)生一個(gè)個(gè)小圓圈的車刀軌跡，刀具頻繁地以圓弧形式切入切出工件，切屑尚未來得及長(zhǎng)得足夠大就被切斷，達(dá)到了斷屑的目的，以此來避免切削作業(yè)時(shí)因全刀切入而導(dǎo)致切削材料量增大的問題，這樣可以有效減小刀片接觸面，能夠避免切屑堵塞，同時(shí)能有效降低加工時(shí)零件的振動(dòng)以及殘余應(yīng)力[11，12]。

圖5 擺線車削示意

另外，因零件材料硬度高，屬于難切削加工材料，所以一旦刀具磨損，將產(chǎn)生更大切削應(yīng)力，造成零件變形加劇。若刀具磨損在精車階段發(fā)生，將產(chǎn)生無法挽救的后果。因此，在粗車階段，開展試驗(yàn)摸索出合適的加工參數(shù)和刀具使用壽命，并將此結(jié)果運(yùn)用在精車階段，以便及時(shí)更換刀具，防止刀具磨損。因切削過程中零件直徑不斷發(fā)生變化，所以使用恒線速度的切削方式更為合理，零件建議切削參數(shù)為：切削深度0.3～0.5mm，線速度30～40m/min。在精車階段可根據(jù)零件余量和最終表面粗糙度要求，適當(dāng)調(diào)整切削深度和線速度。

此外，端面在粗車加工完成后，已經(jīng)達(dá)到了新的應(yīng)力平衡，但端面需要銑削花邊，會(huì)引起零件變形，影響尺寸精度。為了減少后期銑削端面花邊帶來的變形，在粗加工階段安排了粗銑花邊的工序，去除零件端面花邊的大部分余量，提前釋放加工應(yīng)力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。粗加工完成后，對(duì)工件進(jìn)行了去應(yīng)力正火熱處理工序，具體參數(shù)為：加熱到800～850℃，保溫2.0～2.5h后出爐，并在空氣中自然冷卻。

3.2 精加工階段工藝實(shí)施方案

（1）銑削端面花邊后零件變形問題 在零件基準(zhǔn)面加工完成后，若先對(duì)基準(zhǔn)面加工，再進(jìn)行端面銑削花邊，會(huì)引起表面殘余應(yīng)力的重新分配，造成薄壁零件變形嚴(yán)重。為此，一方面從工藝上進(jìn)行改進(jìn)，先進(jìn)行精銑花邊工序，再進(jìn)行精車基準(zhǔn)面工序。銑削時(shí)，因內(nèi)圓小、安裝邊有花邊和徑向孔需要加工，無法采用常規(guī)壓緊方式。另一方面，從工裝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)采用彈性?shī)A緊結(jié)構(gòu)夾具，該夾具能夠自動(dòng)定心同時(shí)夾緊零件，并配裝與型面貼合的支撐塊，在零件外圓進(jìn)行輔助壓緊，可保證零件定位型面與夾具完全貼合，如圖6所示。加工時(shí)，為消除零件裝夾與基準(zhǔn)面的誤差，進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將零件的上端面作為對(duì)刀點(diǎn)和程序零點(diǎn)，以此消除零件變形和裝夾時(shí)產(chǎn)生的偏差。最后，從數(shù)控程序上進(jìn)行變形控制，對(duì)于精銑端面花邊工序，使用刀心編程方式，配合輪廓編程方式，采用φ10mm合金銑刀進(jìn)行徑向分層高速銑削。與普通切削加工相比，在高速切削加工時(shí)工件表面還來不及產(chǎn)生塑性變形，就已經(jīng)完成切削加工；且大約有90%以上切削熱量被切屑帶走，使切削熱來不及傳到工件。銑削端面花邊時(shí)，選用了最高轉(zhuǎn)速為40000r/min的進(jìn)口高速加工中心，并對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行了仿真優(yōu)化，選擇了合理的走刀路線、切削液、切削用量和切削刀具來控制加工變形。

圖6 內(nèi)圓端面槽口裝夾及三維模型示意

（2）壁加工引起變形及壁厚不均問題 精車壁厚時(shí)，因零件懸臂伸出過長(zhǎng)，且零件結(jié)構(gòu)特殊，所以型面與夾具難以完全貼合，導(dǎo)致加工時(shí)支撐虛位和振刀的情況，零件自由狀態(tài)平面度0.3～0.4mm，無法滿足最終尺寸要求。為此，壁厚兩側(cè)安排在同一工序進(jìn)行加工（見圖3），可防止二次裝夾及應(yīng)力釋放導(dǎo)致的壁厚不均勻。另外，為防止加工時(shí)零件振動(dòng)，在半封閉腔體（見圖3型面C）內(nèi)可使用填充物，起到防振功效，從而有效解決了壁厚不均勻和零件表面振刀紋的問題。

（3）涂層表面粗糙度無法滿足要求問題 該零件要求在表面噴涂厚度為0.2mm的碳化鎢耐磨涂層，最初工藝為磨削，因零件壁厚和結(jié)構(gòu)因素，產(chǎn)生較大振動(dòng)，在涂層表面留有振動(dòng)痕跡，難以滿足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。因此，采用車削代替磨削，使用涂層專用車刀并采用合理的加工參數(shù)進(jìn)行加工。與砂輪磨削相比，車削涂層時(shí)接觸面積更小，能有效減少零件振動(dòng)，不再有振紋產(chǎn)生；且無需像砂輪那樣反復(fù)修正，使加工時(shí)間由8h減少為2h。

4 結(jié)束語

針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁高硬度異形結(jié)構(gòu)安裝環(huán)加工過程中易發(fā)生變形和振動(dòng)、表面質(zhì)量差等問題，通過對(duì)其零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和工藝性進(jìn)行分析，制定了防變形措施，確定了安裝環(huán)的加工工藝路線。在粗加工階段，采用擺線車削加工技術(shù)，能快速去除余量，減少刀具磨損，提高效率；且通過增加粗銑工序，提前釋放加工應(yīng)力。在精加工階段，調(diào)整工序，先采用徑向分層高速銑削進(jìn)行精銑花邊工序，然后再進(jìn)行精車基準(zhǔn)面工序；并采用彈性膜片結(jié)構(gòu)的脹緊式工裝防止零件變形嚴(yán)重；最后采用以車代磨工藝來保證涂層的表面質(zhì)量和尺寸。為類似高硬度的薄壁異形零件加工提供了參考。