喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)數(shù)控銑加工研究

胡曉亮　徐欣

摘要：喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴口項(xiàng)目中的重要零件，該零件加工質(zhì)量的好壞直接影響裝配和試車(chē)。文章通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的加工，介紹了喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的數(shù)控加工策略，以及零件在加工過(guò)程中尺寸精度的控制方法。

關(guān)鍵詞：喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)；數(shù)控銑加工；發(fā)動(dòng)機(jī)；矢量噴口項(xiàng)目；零件加工；尺寸精度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文章編號(hào)：1009-2374（2016）19-0030-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.014

喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴口項(xiàng)目中的重要零件，該零件加工質(zhì)量的好壞直接影響裝配和試車(chē)。

1 零件的結(jié)構(gòu)特征、材料特性和機(jī)械加工工藝分析

1.1 喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)特征

零件的三維造型圖如圖1所示。零件最大直徑為Φ1102mm，最小直徑為Φ1038mm，軸向最大長(zhǎng)度為112mm，最大壁厚為5mm，最小壁厚為3mm。為了增加零件的強(qiáng)度和剛性，零件的外圓型腔處設(shè)計(jì)了42處5mm厚的加強(qiáng)筋板。零件的端面有6組安裝作動(dòng)筒的耳片和1處三角形小耳片。零件的3處重要尺寸都集中在6組耳片部分，因此耳片部位是零件加工中著重點(diǎn)。從以上分析中可以得出以下結(jié)論：喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)是一個(gè)典型的薄壁環(huán)類(lèi)零件。

1.2 喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的材料特性

零件的材料為T(mén)A15鈦合金，名義成分為T(mén)i-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。其主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過(guò)α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化。加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo和V，可以改善工藝性。該合金的Al當(dāng)量為6.58%，Mo當(dāng)量為2.46%，屬于高鋁當(dāng)量的近α型合金，所以它既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近α-β型鈦合金的工藝塑性。TA15合金長(zhǎng)時(shí)間（3000h）工作溫度可達(dá)500℃，瞬時(shí)（不超過(guò)5min）可達(dá)800℃，TA15合金主要制造500℃以下長(zhǎng)時(shí)間工作的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和焊接承力部件。

1.3 機(jī)械加工工藝分析

零件的毛坯為鍛件，鍛件標(biāo)準(zhǔn)為Q/3B1165-2002，經(jīng)固溶強(qiáng)化處理。環(huán)類(lèi)零件的典型加工工藝為粗加工、半精加工和精加工。粗加工分為粗車(chē)、粗銑；半精加工分為半精車(chē)、半精銑；精加工為精車(chē)、精銑，最后完成孔加工。由于零件為大型薄壁件，所以需要在粗加工去除大量余量后進(jìn)行一次人工時(shí)效處理，消除機(jī)械加工應(yīng)力。零件的工藝路線如下：毛坯→粗車(chē)→鉗劃線→粗銑→鉗去毛刺→人工時(shí)效→半精車(chē)→鉗劃線→半精銑→鉗去毛刺→精車(chē)→鉗劃線→精銑→鉗去毛刺、劃線→臥鏜→鉗去毛刺、清理零件。

2 喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)數(shù)控銑加工

該零件的所有銑加工工序都由數(shù)控機(jī)床進(jìn)行，零件按最終尺寸留3mm余量粗車(chē)后的尺寸如圖2所示、形狀如圖3所示，零件重量約為35kg，經(jīng)過(guò)所有銑加工工序后，零件的重量約為9kg，由此可以看出零件的絕大部分余量是由銑加工來(lái)去除。

2.1 數(shù)控銑加工機(jī)床簡(jiǎn)介

銑加工使用的機(jī)床是TH42160C數(shù)控龍門(mén)銑加工中心（圖4）。

機(jī)床工作臺(tái)面長(zhǎng)為3000mm、寬為1600mm，工作臺(tái)面至刀具基準(zhǔn)平面為1200mm，主軸最高轉(zhuǎn)速為3000rpm，最低轉(zhuǎn)速為10rpm，主軸功率為33kW，最高進(jìn)給速度為10000mm/min。機(jī)床配有立式轉(zhuǎn)臥式直角銑頭和萬(wàn)能角度頭。機(jī)床配有可安裝32把刀具的刀庫(kù)。機(jī)床配合TK131000數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)四軸加工。機(jī)床控制系統(tǒng)采用的是西門(mén)子840D多軸數(shù)控系統(tǒng)。

2.2 工裝及零件的裝夾

喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)作為薄壁零件，在加工中避免裝夾變形是非常重要的，加工薄壁環(huán)類(lèi)零件通常使用的是將零件沿軸向壓緊，避免零件受徑向夾緊力的作用而引起的變形。分析喉道面積調(diào)環(huán)銑加工過(guò)程中，需要加工外圓沿圓周的全部型腔，在加工中必須使零件有一個(gè)沿零件軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以必須使用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。機(jī)床所配備的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)直徑為1000mm，而零件經(jīng)粗車(chē)后的最小內(nèi)孔為1012mm，零件無(wú)法直接裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，這就需要在工作臺(tái)和零件之間安裝一個(gè)轉(zhuǎn)接盤(pán)。考慮到粗銑需去除大量的余量，這就要求在銑加工過(guò)程中零件裝夾必須可靠，不允許零件在加工時(shí)發(fā)生竄動(dòng)，所以轉(zhuǎn)接盤(pán)上按零件內(nèi)孔配作一個(gè)外止口是很必要的。圖5為轉(zhuǎn)接盤(pán)，圖6為零件裝夾方式。

2.3 數(shù)控銑加工工藝分析

2.3.1 粗銑加工工藝。粗銑的目的是去除零件大部分余量，使各處需精加工表面的余量均勻，所以加工時(shí)的尺寸和表面質(zhì)量要求不是很高。仔細(xì)分析設(shè)計(jì)圖紙后，可得出零件的銑加工分為立式銑加工和臥式銑加工兩部分。立式加工為去除零件端面耳片周?chē)挠嗔浚囟廨喞魡芜呌嗔?mm；臥式加工為去除沿零件外輪廓處型腔的余量，各型腔側(cè)面和底分別留單邊余量2mm。兩片耳片形成的寬140+0.05的槽及耳片對(duì)應(yīng)的沿外圓6處寬14的型腔在粗銑時(shí)不加工。

第一，臥式粗加工。分析零件設(shè)計(jì)圖后，確定外圓處型腔粗銑加工可分兩個(gè)步驟進(jìn)行：第一步用刀具沿型腔外輪廓進(jìn)行分層切削，形成一個(gè)沿型腔寬度為刀具直徑的環(huán)槽；第二步采用平行層切方法，去除中間剩余余量。因?yàn)檠匦颓惠喞D(zhuǎn)角全部為R8，從而確定刀具直徑為Φ16，同時(shí)設(shè)計(jì)圖要求型腔側(cè)面同底面之間轉(zhuǎn)角為R8，這就要求刀具刀尖部分具有R8的圓角，因此第一步粗加工型腔輪廓的刀具確定為Φ16的球頭立銑刀。切除中間剩余余量時(shí)，為了提高加工效率，應(yīng)選用平底立銑刀，在零件裝夾強(qiáng)度、剛性及機(jī)床主軸的功率和剛性充許的條件下，刀具直徑應(yīng)盡可能大，但是在加工喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)時(shí)，零件是薄壁件，并且裝夾方式為沿軸向壓緊，加工側(cè)面型腔時(shí)，被加工件的剛性較差。先前用Φ16球頭刀加工的環(huán)槽寬度為16，根部形成了R8的圓角，在去除中間余量時(shí)，不允許產(chǎn)生過(guò)切損傷已加工表面，綜合以上各因素，粗加工第二部選用了直徑Φ16的平底立銑刀。

為了簡(jiǎn)化加工時(shí)數(shù)控程序的編制，分析零件的側(cè)面型腔（圖7），將具有相同特性的型腔劃分為一組，共分成4個(gè)組，在編制數(shù)控程序時(shí)每一組采用一個(gè)程序，并在程序中使用循環(huán)語(yǔ)句加工每一組型腔，簡(jiǎn)化了程序編制，降低了程序編制的工作量。

粗加工側(cè)面型腔，機(jī)床裝上直角頭轉(zhuǎn)換成臥式，將加工坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)為圖8所示零件外圓與上端面的交線并且過(guò)零件中心線的交點(diǎn)上。刀軸方向?yàn)閄軸負(fù)方向，零件旋轉(zhuǎn)軸為平行于Z軸。采用Φ16球刀加工型腔輪廓，若采用圖9（a）的沿封閉輪廓連續(xù)銑削，每次層切時(shí)，X軸坐標(biāo)值固定，刀具沿輪廓每切削一圈后，刀具沿X負(fù)向進(jìn)刀，再次進(jìn)行輪廓切削，這種走刀方式雖然合理，但是由于零件的外圓有一個(gè)19°10′的錐度，每層刀具切削時(shí)，刀具并不是進(jìn)行持續(xù)切削，而是大部分時(shí)間在空切，這是極大的浪費(fèi)，所以保證刀具每次切削運(yùn)動(dòng)都能進(jìn)行最有效的切削是非常必要的。分析圖9的型腔縱向剖視圖，可見(jiàn)刀具沿X向最大切深為30mm，最小切深為7mm，兩者差值為23mm，采用封閉輪廓連續(xù)切削，每次沿X軸負(fù)方向切深為1mm，即背吃刀量ap=1mm，那么零件下端空切次數(shù)就達(dá)到了23次。加工側(cè)面型腔輪廓，為了避免刀具空切削，提高加工效率，采用了圖9（b）所示的單邊持續(xù)切削方式，即每一次加工一個(gè)輪廓邊，加工至所需深度后，再進(jìn)行下一個(gè)邊的切削，這種方法在加工下端最小切深處時(shí)，背吃刀量為ap=1mm時(shí)，只需進(jìn)刀切削7次就可以完成加工，避免了沿封閉輪廓連續(xù)加工時(shí)的空切削，節(jié)省了加工時(shí)間，提高了效率。

對(duì)于圖7所示A、C組型腔沿零件軸線方向?qū)挾确謩e為25和22.5，用Φ16的球頭刀進(jìn)行輪廓銑后，即可以去除大部余量，只有型腔槽底會(huì)有少量凸起，用球刀在型腔沿零件軸線方向再進(jìn)行一次銑削就可以清除。對(duì)于B、D組的型腔進(jìn)行輪廓銑之后，會(huì)留圖10所示的余量，對(duì)于這部分余量的去除，使用Φ16的平底立銑刀進(jìn)行平行型腔底面的層切，刀具每次沿X負(fù)方向進(jìn)刀后，數(shù)控圓盤(pán)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，即A軸為正，刀具底刃的切削面形成平行于型腔底面的圓弧面，經(jīng)多次切削可完成余量的去除。

第二，立式粗加工。首先確定加工坐標(biāo)原點(diǎn)為零件的軸線同上端面的交點(diǎn)（圖11），立式加工的刀軸方向?yàn)樽鴺?biāo)系中的Z軸方向，即刀具軸線平行于零件的回轉(zhuǎn)中心。喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的立式粗加工目的是去除余量從面形成端面上6組大耳片和1組小耳片共7處凸臺(tái)。粗車(chē)后的零件形成耳片處的外圓尺寸為Φ1108mm，內(nèi)孔為Φ1032mm，計(jì)算后的加工區(qū)域?qū)挾葹?8mm；設(shè)計(jì)圖要求的耳片高度為36mm，從而得出加工深度為36mm。由以上分析可以看出立式粗加工為典型的平面銑削，為了進(jìn)行有效的切削，刀具的直徑必須要大于切削寬度，因此在加工中使用了直徑Φ50的鑲齒臺(tái)肩銑刀。加工路線首先沿耳片兩個(gè)側(cè)面分層銑削，單邊3mm留余量；然后使刀具沿半徑為R535圓弧進(jìn)行層切，去除每?jī)山M凸臺(tái)之間的余量。對(duì)于1處小耳片還要進(jìn)行一次輪廓銑。

2.3.2 半精銑加工工藝。喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的數(shù)控半精銑加工，主要目的是進(jìn)一步去除零件重要尺寸部位的余量，即立式銑加工中耳片周?chē)挠嗔?，本工序中需加工至?mm精加工余量；對(duì)于臥式加工的型腔，因?yàn)檫@些型面并不是配合面，所以在此工序中完成最終尺寸的加工。加工坐標(biāo)系原點(diǎn)同粗加工。

第一，臥式半精加工。使用Φ16的球刀，按粗加工時(shí)同樣的方法完成型腔輪廓的加工，而對(duì)于型腔底面的加工就不能采用粗加工時(shí)用Φ16平底銑刀的加工方式，因?yàn)橛闷降兜兹醒貓A弧面切削出的表面光度不高，并且有非常嚴(yán)重的刀痕，零件的材料為T(mén)A15鈦合金，這種金屬對(duì)刀痕極其敏感，作為一個(gè)受力零件，容易在刀痕處發(fā)生應(yīng)力集中，使零件損壞。經(jīng)過(guò)切削試驗(yàn)后，我們使用了Φ16的球刀進(jìn)行平行銑削，使兩刀間的間距為0.2mm，這樣切削后的表面形成圖12所示的狀態(tài)，其凸起點(diǎn)和凹陷點(diǎn)之差僅為0.6μm，表面質(zhì)量很好。

第二，立式半精加工。立式半精加工方法及刀具的使用同粗加工沒(méi)有太大的區(qū)別，就不再贅述。

2.3.3 精銑加工工藝。精銑加工需完成端面上耳片最終尺寸加工，第一步使用Φ50銑刀銑削每?jī)山M耳片的下端面，保證零件的軸向尺寸為80±0.1；第二步使用直徑Φ12根部帶R3的立銑刀，銑耳片中間寬140+0.05的槽至12，從而使耳片的余量沿輪廓均為1mm，繼續(xù)加工每組耳片方型外輪廓至尺寸。

對(duì)于重要尺寸寬140+0.05的槽加工要十分小心，選擇合理的加工步驟對(duì)保證加工質(zhì)量非常重要，刀具使用的仍然是Φ12根部帶R3的立銑刀，用刀具的側(cè)面先對(duì)槽兩側(cè)均勻地去余量，每個(gè)側(cè)面留有0.2mm余量，如此將6處槽銑完后，刀具會(huì)產(chǎn)生磨損，如果繼續(xù)加工的話，表面質(zhì)量和尺寸都難以保證。我們?cè)诩庸?處耳片槽的最終尺寸時(shí)使用全新的刀具，考慮到鈦合金加工時(shí)，被加工表面產(chǎn)生回彈，槽寬尺寸比實(shí)際編程值小，因此在編程時(shí)按槽寬的上差來(lái)做，同時(shí)采用刀具半徑補(bǔ)償編程。在精加工槽時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)Φ12的立銑刀刃長(zhǎng)僅有25mm，耳片槽的深度為36mm，大于刀具的刃長(zhǎng)，使用刀具側(cè)刃加工耳片槽側(cè)面，必須分兩刀加工，這樣就會(huì)在兩刀之間產(chǎn)生接刀痕，為了使接刀痕盡可能小，銑削側(cè)面最后一刀時(shí)的接刀部位要同先前加工時(shí)的接刀部位錯(cuò)開(kāi)，實(shí)際加工中采用這種方法得到的表面質(zhì)量非常理想。

6組耳片的R16圓弧面和1處小耳片的R6圓弧面，可以在立式數(shù)控機(jī)床上使用球頭刀仿形加工出來(lái)，而使用臥式數(shù)控機(jī)床，利用立銑的側(cè)刃進(jìn)行輪廓銑會(huì)具有更高的加工效率和良好的表面質(zhì)量。本次加工就利用機(jī)床裝上直角頭并用Φ12立銑刀側(cè)刃加工出6組R16圓弧面和1處小耳片的R6圓弧及兩處斜邊。

3 結(jié)語(yǔ)

這次喉道面積調(diào)節(jié)環(huán)的數(shù)控銑加工，無(wú)論是尺寸精度還是表面質(zhì)量都保證了設(shè)計(jì)圖紙的要求，受到了設(shè)計(jì)人員的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐秉銓.航空制造工程手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出

版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：胡曉亮（1982-），男，吉林松原人，沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所工程師，研究方向：機(jī)械加工工藝。

（責(zé)任編輯：蔣建華）