外環(huán)塊類零件加工策略研究

摘 要：在各型號發(fā)動機中，都有一定數(shù)量的渦輪環(huán)塊類零件，環(huán)塊類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。目前，各型發(fā)動機均已嘗試渦輪環(huán)塊類零件的加工，新型發(fā)動機中的環(huán)塊類零件結(jié)構(gòu)與原型類似零件相比，不僅壁更薄，精度要求更高，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。現(xiàn)以某型號典型外環(huán)五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板為載體，從控制外環(huán)塊切斷前變形為出發(fā)點，分析影響薄壁環(huán)件變形的主要環(huán)節(jié)，找出影響環(huán)件變形的因素，制定工藝措施，控制外環(huán)塊切斷前的變形，為薄壁鍛件類外環(huán)塊零件的加工摸索出合理的工藝路線、加工方案。

關(guān)鍵詞：薄壁環(huán)塊；變形；控制措施；工藝方案

1 概述

現(xiàn)新型渦輪外環(huán)塊采用了一種新材料鑄造件（K465）。由于外環(huán)塊類零件精度要求高，為大直徑薄壁環(huán)塊零件，整環(huán)加工存在變形，加工中容易產(chǎn)生震顫等，切斷為段后再次產(chǎn)生變形。加工裝夾時存在無壓緊面、裝夾困難，需制作一定的工裝夾具以滿足加工要求，但在新機研制中派制專用夾具影響加工周期又浪費，有必要進行外環(huán)塊類零件加工策略研究，制定合理的加工方案、工藝路線及采用預(yù)留各種定位安裝邊結(jié)構(gòu)方式，以解決新結(jié)構(gòu)渦輪外環(huán)塊零件的加工并減少切斷前零件變形。

2 研究內(nèi)容或試驗

2.1 零件的結(jié)構(gòu)特點

渦輪外環(huán)塊類零件設(shè)計結(jié)構(gòu)分為環(huán)塊內(nèi)表面焊蜂窩、環(huán)塊內(nèi)表面噴粉末涂層兩種結(jié)構(gòu)形式。一～五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板結(jié)構(gòu)特點為尺寸全部加工完成后，內(nèi)表面焊接蜂窩形成組合件。

一～五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板零件最大外徑在Ф868～Ф1088.6mm之間，一級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板直徑最小，五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板直徑最大，外環(huán)材料均為GH536，零件結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 影響轉(zhuǎn)子外環(huán)變形因素分析

分析零件的結(jié)構(gòu)特點、機加過程，存在以下幾方面因素影響外環(huán)變形：

2.2.1 材料去除量大。五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板毛料為鍛件，毛料為圓柱環(huán)結(jié)構(gòu)，外徑：Ф1099±1mm，內(nèi)徑：Ф1033±1mm，精車后最小壁厚僅為1.2mm。材料去除量大，內(nèi)表面最大毛料去除量為35.5mm，粗加工時切削力大，雖然在粗加工后安排了去應(yīng)力熱處理，去除了一部分內(nèi)應(yīng)力，仍然不能充分去除毛坯材料應(yīng)力和加工應(yīng)力，半精車后又進行車槽、銑減重槽等加工，銑減重槽時的加工余量有3.5mm，去除量仍然很大，車銑型槽后產(chǎn)生了二次加工內(nèi)應(yīng)力蓄積在零件內(nèi)部，經(jīng)過線切割分段后，加工應(yīng)力釋放，環(huán)塊變形。

2.2.2 系統(tǒng)剛性弱，加工過程易產(chǎn)生變形和讓刀現(xiàn)象。五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板尺寸大、壁薄，精車車削時系統(tǒng)剛性差，加工時存在讓刀、振動等現(xiàn)象。若車削夾具僅采用簡單的止口定位、壓板夾緊結(jié)構(gòu)，只能起到簡單定位、壓緊作用，沒能增加切削系統(tǒng)剛性，加工后零件將產(chǎn)生變形，裝夾方式也是造成零件變形的因素。

2.2.3 切削走刀路徑的安排。零件大端正、反端面均有環(huán)槽，精車時應(yīng)合理安排切削走刀路徑，若切削走刀路徑不合理，將影響零件切削加工后內(nèi)部殘余應(yīng)力的狀態(tài)，使應(yīng)力釋放后，零件變形增大。

3 工藝試驗

3.1 工藝路線安排

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合薄壁環(huán)形件的加工模式，五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板工藝路線安排如下（其余一～四級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板主要工序工藝路線相同）：毛料——粗車一端——粗車另一端——穩(wěn)定處理——修基準——半精車一端——半精車另一端——精車一端——銑加工半圓槽及鉆孔——去毛刺——精車另一端——銑加工小端面槽——去毛刺——洗滌——中間檢驗——線切割——去重熔層——洗滌——終檢

3.2 關(guān)鍵工序分析

精車一端工序加工內(nèi)容見圖2（為加粗輪廓線），機加后徑向壁厚僅有1.4mm，內(nèi)孔及外圓對基準面均要求跳動0.05，同時需加工出正、反兩處環(huán)槽，工序加工余量為1mm（環(huán)槽處除外），工序加工表面多，是形成最終型面的工序。本工序減少變形的關(guān)鍵是切削走刀路徑的安排。實際加工選用數(shù)控設(shè)備，在意大利立車（PIETRO）上進行。加工去除內(nèi)表面和外表面余量時，采用分層均衡去除余量的方式，并采用對稱去除內(nèi)、外加工余量的方式；切削相鄰的表面時采用相對或向背的走刀方向，精車一端實際切削走刀路徑見圖2。為防止車環(huán)槽后外側(cè)搭頭，將內(nèi)、外徑及端面各留有0.1mm的加工余量，加工完上表面環(huán)槽后，先加工根部⑨，再按走刀路徑規(guī)定方向加工部位⑩，最后再按規(guī)定的走刀路徑去除內(nèi)、外表面0.1mm的加工余量，可達到減少變形的最佳效果。

精車另一端工序加工內(nèi)容見圖3（為加粗輪廓線），機加前徑向壁厚僅有1.4mm，壁厚薄，現(xiàn)內(nèi)型面已加工完成，因零件的橢圓變形，本工序加工難點為保證與已加工面的尺寸1.2±0.07（序號⑨）。為使零件達到一理想狀態(tài)后再車加工，應(yīng)使用帶有徑向輔助支撐的夾具支撐內(nèi)表面D，且夾具支撐面的高度應(yīng)達到零件軸向高度的三分之二。系統(tǒng)剛性增加的同時消除零件橢圓變形，按此狀態(tài)車加工零件，加工后可滿足1.2±0.07的尺寸公差要求。銑加工小端面槽工序即銑減重槽時也應(yīng)采用同樣的支撐裝夾方式，以保證減重槽尺寸公差。

4 結(jié)束語

外環(huán)塊類零件加工研究選擇了五級轉(zhuǎn)子外環(huán)底板為典型件，通過對其工藝規(guī)程的優(yōu)化、走刀路徑的優(yōu)化研究，帶有徑向輔助支撐的夾具使用，對粗加工及半精加工過程的控制，變形狀態(tài)達到了預(yù)期的效果。新型渦輪外環(huán)塊采用了一種新材料K465（鑄造環(huán)塊），針對K465材料硬，難切削加工的特點，通過對工藝路線進行改進，工藝規(guī)程中增加線切割內(nèi)圓及線切割外圓工序，去除大部分環(huán)塊加工余量，留有小余量后再進行車削加工，以提高加工效率，降低刀具成本。