高溫合金邊條翼加工成型技術(shù)研究

石章靖 程慧珍 姚金莉 黃小年 唐眾民

高溫合金邊條翼加工成型技術(shù)研究

石章靖 程慧珍 姚金莉 黃小年 唐眾民

（先進(jìn)焊接技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，孝感 432100）

某高溫合金邊條翼為長(zhǎng)板薄壁高精度要求零件，產(chǎn)品機(jī)械加工易變形。本文通過(guò)優(yōu)化工藝流程，設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝，選擇合適刀具，改進(jìn)工藝方法等方式使產(chǎn)品滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。為類(lèi)似高溫合金材料高精度要求零件提供了一種機(jī)械加工方法。

高溫合金；邊條翼；機(jī)械加工

1 引言

邊條翼結(jié)構(gòu)可以大幅度地提升航彈的升阻比，有效改善航彈的氣動(dòng)性能[1]，常應(yīng)用于航空炸彈、火箭彈等。邊條翼的材料必須能適應(yīng)高溫下可靠工作的要求，即要有足夠的高溫強(qiáng)度和良好的熱安定性及精度要求。本文選用的GH1131材料高溫下塑性大、韌性高、綜合力學(xué)性能較好、熱強(qiáng)性較高，常應(yīng)用于該類(lèi)型零件。經(jīng)固溶處理后的GH1131高溫合金材料，屬于難切削加工材料，主要體現(xiàn)在：切削變形大；刀具磨損較大；切削精度較低[2]。針對(duì)該材料難加工的特點(diǎn)進(jìn)行分析及加工試驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化工藝流程與改善加工方法滿(mǎn)足零件精度要求。

2 零件結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

邊條翼結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，零件長(zhǎng)1200mm，寬134mm，厚度最小值(3±0.15)mm，過(guò)渡值(4.7±0.1)mm，為長(zhǎng)板薄壁底寬頂窄型結(jié)構(gòu)，其中高精度指標(biāo)：厚度最大值6-0.030 -0.090mm，平面度0.15mm。

圖1 邊條翼結(jié)構(gòu)示意

2.2 工藝難點(diǎn)分析

邊條翼毛坯材料為GH1131，該合金中Ni含量在25%以上，Ni、Cr元素含量高達(dá)44%以上，具體見(jiàn)表1。

表1 GH1131高溫合金的主要化學(xué)成分

由于Ni、Cr含量很高，合金中的Cr、Ti、Mo等元素形成大量金屬化合物和高硬度的碳化物質(zhì)點(diǎn)[3]。根據(jù)試驗(yàn)，高溫合金在切削加工時(shí)，切削負(fù)荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750～1000℃）下，刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損和氧化磨損；加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，已加工表面的硬化程度可達(dá)200%～500%[4]。

在邊條翼銑削加工中，從毛料到成品有較大的加工余量，會(huì)產(chǎn)生較大的切削力。由于受到切削力的影響，零件極易產(chǎn)生加工變形，6-0.030 -0.090mm等高精度尺寸及形位公差難以達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求，影響組件的裝配。本文通過(guò)優(yōu)化工藝流程，設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝，選擇合適刀具，改進(jìn)工藝方法等方式使產(chǎn)品滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 解決方案

3.1 工藝流程

結(jié)合零件材料屬性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，選擇毛坯尺寸為8mm×195mm×1210mm，工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 工藝流程圖

流程制定主要基于如下兩點(diǎn)考慮：

a. 厚度基準(zhǔn)面及翼面加工時(shí)，采用小切削深度，反復(fù)翻面銑削加工，雙面均勻去量，以減少切削加工變形量。在減少加工變形量的基礎(chǔ)上，零件的定位準(zhǔn)確性得到改善，有利于提高零件的尺寸精度。

b. 厚度基準(zhǔn)面的精加工及翼面的加工，需控制產(chǎn)品的裝夾變形，同時(shí)保證基準(zhǔn)的一致性。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 裝夾方案

采用定位板從四周將零件頂緊及精密平口鉗等裝夾后，零件容易被夾變形，且零件切削加工有變形，適用于粗加工去量。采用真空吸盤(pán)吸附零件進(jìn)行機(jī)械加工，有利于實(shí)現(xiàn)吸附力垂直于邊條翼的厚度表面，提高加工精度。標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤(pán)外形尺寸為522mm×1022mm，而邊條翼坯料外形尺寸為195mm×1210mm，真空吸盤(pán)長(zhǎng)度不夠。設(shè)計(jì)專(zhuān)用的銑床夾具轉(zhuǎn)接，將銑夾吸附到真空吸盤(pán)上，再把邊條翼吸附在銑夾上，進(jìn)行厚度表面及翼面的加工，示意見(jiàn)圖3。

圖3 真空吸盤(pán)+銑夾+零件結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 銑夾設(shè)計(jì)方案

銑夾主要實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)真空吸盤(pán)的對(duì)接及零件定位吸附兩項(xiàng)功能。銑夾的下表面與真空吸盤(pán)對(duì)接，在真空吸盤(pán)的中間位置用密封圈圍出一定閉合區(qū)域（如圖4所示），形成密閉空間提供吸附力。銑夾要將吸附力傳遞到與零件的定位面，則需在其表面加工出密封槽3+0.1 0mm×3-0.1 -0.2mm（寬×深），用密封圈圍出一定閉合區(qū)域才能使零件被吸附。

圖4 真空吸盤(pán)密封

邊條翼在進(jìn)行翼面加工時(shí)外形如圖5所示，零件的吸附平面外形相距密封圈需要留一定的邊距。根據(jù)零件外形尺寸，翼尖30mm，寬工藝夾頭單面留5.5mm，翼根下方46.5(＝190-30-(134-20.5))mm，寬工藝夾頭單面留11.5mm，長(zhǎng)度方向留邊距11mm，翼面加工時(shí)與真空吸盤(pán)的接觸面積：=((30-5.5×2-3×2)+(46.5-11.5×2-3×2))×(1205-11×2-3×2)＝35898.5mm2（注：尺寸3為密封槽寬度尺寸）。

圖5 翼面加工后的邊條翼

真空泵工作時(shí)壓強(qiáng)穩(wěn)定在0.82bar (1bar=0.1N/mm2)。

依據(jù)真空吸盤(pán)吸附力公式：

=×

式中：——吸附力；——壓強(qiáng)；——吸附面積。

=0.82×0.1×35898.5=2943.677N

真空吸盤(pán)使用時(shí)，要求切削力z≤0.25F。需要計(jì)算銑削加工的切削力，來(lái)確定真空吸盤(pán)的吸附力是否足夠。用硬質(zhì)合金立銑刀銑削高溫合金材料的切削力的經(jīng)驗(yàn)公式：

F=440aa0.75a0.85Zd-0.75n0.1K

式中：F——切削力；a——切削深度；a——每齒進(jìn)給量；a——切削寬度；——銑刀齒數(shù)；d——銑刀直徑；n——主軸轉(zhuǎn)速；K——被加工材料對(duì)切削力的修正系數(shù)。

其中，高溫合金材料切削力的修正系數(shù)K＝1，在邊條翼加工中，主要應(yīng)用了兩種直徑的刀具，切削參數(shù)及切削力見(jiàn)表2。

在使用40mm銑刀時(shí)，主切削力為F=116N，遠(yuǎn)小于0.25F≈735.919N，所以針對(duì)選用的切削參數(shù)，零件的吸附面積可滿(mǎn)足真空吸盤(pán)工作要求。銑夾的底面加工出1mm深下陷（如圖6所示），便于壓縮空氣在銑夾底面與真空吸盤(pán)上表面之間流動(dòng)；銑夾上加工4個(gè)4.2mm通孔使壓縮空氣通到銑夾的上表面；銑夾上表面除了加工用于吸附邊條翼的密封槽外，也同真空吸盤(pán)一樣加工出網(wǎng)格（如圖7所示），網(wǎng)格間槽口尺寸為3+0.1 0mm×3-0.1 -0.2mm（寬×深），以便于其它零件借用。考慮到零件加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變形，銑夾設(shè)計(jì)了壓板，在吸附前將零件壓平，便于真空吸盤(pán)工作時(shí)能將邊條翼吸附在銑夾工作表面上。

圖6 銑夾底面狀態(tài)

圖7 銑夾頂面狀態(tài)

3.2.3 刀具選擇及工藝改進(jìn)

高溫合金材料零件（如叉形件、軸等）粗加工主要使用超硬鋁刀具，精加工使用硬質(zhì)合金銑刀，邊條翼的銑削面積較大，單面的加工面積為190mm×1205mm，需要使用耐磨性能較好的刀具。而普通的超硬鋁刀具耐磨性能較差，進(jìn)行大面積切削表面質(zhì)量不高、尺寸誤差都較大，而硬質(zhì)合金材料的刀片耐磨性能比普通超硬鋁刀具要高，因而，選擇不同廠(chǎng)家的硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。選擇20mm立銑刀，粗加工邊條翼的厚度兩面，加工面積190mm×1205mm，加工后用百分表檢測(cè)被加工表面的刀具磨損前后誤差值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果可以得出：山特維克、瓦爾特的硬質(zhì)合金刀片耐磨性相當(dāng)，美福刀片在加工完一面后就出現(xiàn)較大的磨損，不適用。因而在加工邊條翼的厚度及翼面時(shí)，選用了山特維克的硬質(zhì)合金刀片，每面走刀兩次后更換一次刀片，為保證厚度及翼面的尺寸精度要求，精加工階段每走刀一次后更換刀片。

選擇不同直徑銑刀、走刀方向，將零件厚度尺寸從8mm粗加工到6.5mm進(jìn)行切削試驗(yàn)，零件的變形量記錄在表4中。

表4 零件的變形量

試驗(yàn)中，走刀方向先選擇的是沿長(zhǎng)度方向，加工所用的切削參數(shù)與表3中的參數(shù)相同，在零件加工至7.5mm時(shí)出現(xiàn)變形，進(jìn)行了一次校形，校形后再垂直于長(zhǎng)度方向加工，依然有較大的變形?？梢?jiàn)走刀方向?qū)α慵娤髌矫娑葲](méi)有明顯影響。由于寬度方向加工時(shí)刀具轉(zhuǎn)向多于長(zhǎng)度方向，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，為減小切削力，在后續(xù)加工中選擇用20mm刀具沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行加工。

3.2.4 邊條翼的熱校形

經(jīng)過(guò)零件的加工驗(yàn)證，切削應(yīng)力釋放仍然會(huì)引起邊條翼加工變形，1#件的平面度為0.9mm；2#件的平面度為1.1mm，均未達(dá)到要求。采用機(jī)械校形容易在表面留下錘痕，為保證零件表面質(zhì)量，需采用熱校形的方法滿(mǎn)足精度指標(biāo)。

邊條翼材料為GH1131，其固溶處理溫度為(1150±10)℃，再結(jié)晶開(kāi)始溫度超過(guò)900℃，當(dāng)邊條翼加熱至850～870℃，材料組織將完全進(jìn)行回復(fù)而不進(jìn)行再結(jié)晶，組織狀態(tài)未變化，材料強(qiáng)度不會(huì)降低，但材料組織的熱回復(fù)也可以大幅度消除殘余應(yīng)力及校正模具裝夾定型的預(yù)置應(yīng)力，從而可使邊條翼外形尺寸穩(wěn)定化，起到校正的作用。且邊條翼熱校形加熱在真空環(huán)境下進(jìn)行，可有效避免零件表面氧化，保證零件表面質(zhì)量，不需留加工余量。為避免熱校形過(guò)程中熱脹冷縮不一致而影響校正效果，熱校正模選擇了在工作溫度范圍內(nèi)線(xiàn)膨脹系數(shù)與零件相匹配的20Cr13材料。

邊條翼加工至最終尺寸狀態(tài)進(jìn)行熱校形，熱校形內(nèi)腔尺寸與邊條翼外形相匹配，整體采用上、下模進(jìn)行定型裝夾，如圖8所示。

圖8 邊條翼熱校正工裝夾示意圖

1#、2#兩件經(jīng)過(guò)熱校形處理后，翼面的平面度達(dá)到了0.15mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，邊條翼實(shí)物如圖9所示。

圖9 邊條翼

4 結(jié)束語(yǔ)

因高溫合金在高溫下綜合力學(xué)性能較好，在航空、航天等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。但其導(dǎo)熱系數(shù)較低、加工容易產(chǎn)生硬化等，屬于難切削加工材料，對(duì)其切削加工性的研究是當(dāng)前的一個(gè)重要方向。本文通過(guò)分析高溫合金的加工難點(diǎn)，并結(jié)合邊條翼產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用工藝控制方法使產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，最終通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證。對(duì)高精度要求的高溫合金材料零件加工具備一定借鑒作用。

1 張晶. 帶邊條翼彈體縱向氣動(dòng)性能的研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2005，7

2 吳明陽(yáng)，王博. 高溫合金材料特性及加工技術(shù)進(jìn)展[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20(6)：27～28

3 邱艷芳. 高速鋼刀具在加工高溫合金材料中的應(yīng)用[J]. 制造材料，2002，40(455)：44～45

4 盧素花，史繼偉. 高溫合金低壓渦輪盤(pán)機(jī)械加工技術(shù)研究[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013(4)：23～24

Research on Machine Shaping Technology of High Temperature Alloy Flanges

Shi Zhangjing Cheng Huizhen Yao Jinli Huang Xiaonian Tang Zhongmin

(Hubei Key Laboratory of Advanced Welding Technology, Xiaogan 432100)

The parts of high temperature alloy flanges are long plate, thin wall and high-precision. Products are easily deformed during maching. In this paper, optimizing the process flow, designing special tooling, selecting suitable cutting tools, improving the process method and other ways are used to make the product meet the design index. This paper provides a machining method for high-precision parts of similar high temperature materials.

high temperature；flanges；machine shaping

石章靖（1988），碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

2019-05-17