盤心引氣套加工新方法

■中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司 （陜西西安 710021） 馮永星

盤心引氣套是我單位新研制的某航空發(fā)動機(jī)零部件，屬于薄壁環(huán)形件，其典型特點(diǎn)是壁薄，尺寸精度及幾何公差要求高，加工時(shí)需要控制零件的整體變形量，確保零件符合設(shè)計(jì)圖樣的總體要求。此文是筆者根據(jù)在科研試制過程中，通過對該零件裝夾方式、刀具形式、走刀路線及加工參數(shù)等的不斷摸索、不斷嘗試所總結(jié)出的一種加工方法。

1. 零件介紹

零件如圖1所示，其材料為GH4169高溫合金，熱處理狀態(tài)為固溶時(shí)效。零件總長210mm，其左端槽為整個(gè)零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，軸向尺寸最嚴(yán)公差為0.05mm，徑向尺寸最嚴(yán)公差為0.04mm，零件最小壁厚2mm，且壁厚均勻度要求≤0.05mm，同時(shí)薄壁處內(nèi)孔、外圓均要求對基準(zhǔn)A、B的跳動≤0.05mm。

2. 工藝難點(diǎn)分析

（1）基準(zhǔn)槽加工困難 端槽是整個(gè)零件的基準(zhǔn)，大部分軸向尺寸都與基準(zhǔn)A相關(guān)；基準(zhǔn)B公差只有0.04mm，需要使用槽刀加工，尺寸難以保證。同時(shí)，要保證零件跳動≤0.05mm，基準(zhǔn)A的平面度及基準(zhǔn)B的圓度要控制在一個(gè)很好的范圍內(nèi)，這一點(diǎn)也很難控制。

（2）端槽內(nèi)外環(huán)槽難加工 從圖1可以看出，需要在寬度4mm的端槽下端加工出一個(gè)直徑2.5mm的環(huán)槽，環(huán)槽中心到基準(zhǔn)A的公差為±0.05mm。加工時(shí)所用刀具的結(jié)構(gòu)既要保證其不與零件干涉，也要確保其具有足夠的剛性來切削，這對刀具設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

圖1 零件

（3）外圓內(nèi)孔跳動難保證 跳動是一個(gè)綜合評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)包含了被測要素自身的形狀誤差及被測要素與基準(zhǔn)的位置誤差。本文所涉及的零件要求外圓、內(nèi)孔對基準(zhǔn)A、B的跳動≤0.05m m，也就是同時(shí)要控制外圓、內(nèi)孔自身的圓度、與基準(zhǔn)A的垂直度及與基準(zhǔn)B的同軸度，這在薄壁長零件的加工中很難控制。

（4）壁厚均勻性難保證 從圖1可以看出，零件壁厚2mm，壁厚的均勻性要控制在0.05mm以內(nèi)，而薄壁零件在加工時(shí)往往會出現(xiàn)因系統(tǒng)剛性不足而產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象，導(dǎo)致壁厚難以保證，壁厚的均勻性更難以控制。

3. 解決途徑及效果

由上述分析可以看出，零件加工時(shí)主要問題集中在基準(zhǔn)加工、刀具設(shè)計(jì)及減小零件變形這幾個(gè)方面。根據(jù)本文所述零件的具體結(jié)構(gòu)，結(jié)合本單位的設(shè)備情況，通過嘗試，我們選擇了如下解決方案。

（1）合理裝夾抑制零件變形 這部分通過4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

1）加工順序的安排。粗車時(shí)由于零件壁較厚，采取粗車大端→粗車小端的路線，均采用軟爪裝夾，考慮到工序間熱處理的因素，粗車給精車單邊留余量2m m。精車時(shí)由于最終壁厚為2mm，故在加工順序的安排上采取精修大端→精車小端→精車大端的工藝路線。

2）精修基準(zhǔn)的裝夾。如圖2所示，精修大端時(shí)由于零件壁厚內(nèi)外各有2mm余量，壁厚較厚，因此采用長軟爪來裝夾零件，加工后在自由狀態(tài)下零件圓度為0.01mm，達(dá)到了后續(xù)工序裝夾的要求。

圖2 精修基準(zhǔn)的裝夾

3）精車小端的裝夾。精車小端是該零件精加工時(shí)的一道關(guān)鍵工序，本工序需要嚴(yán)格控制被加工內(nèi)孔及外圓自身的圓柱度及相互的同軸度，只有這樣才能保證最終驗(yàn)收時(shí)內(nèi)孔、外圓對基準(zhǔn)A、B的跳動≤0.05mm，確保壁厚的均勻性≤0.05mm。同時(shí)，如何減小或消除整個(gè)切削系統(tǒng)的振動，保證零件表面質(zhì)量也是該工序的關(guān)鍵。

裝夾方式上，本工序依然采用軟爪進(jìn)行裝夾，車內(nèi)、外孔時(shí)分別采用不同輔助方式來減小零件變形及振動。在加工時(shí)按如下步驟進(jìn)行：粗車內(nèi)孔→精車內(nèi)孔→粗車外圓→精車外圓→精修內(nèi)孔。

零件總長210mm，車內(nèi)孔時(shí)零件及刀具懸伸都比較長，導(dǎo)致整體剛性差，切削時(shí)極易出現(xiàn)振動及讓刀現(xiàn)象。針對這個(gè)狀況，選擇直徑為40mm的鏜孔刀，同時(shí)采取傳統(tǒng)的在零件表面纏繞橡膠皮（或自行車內(nèi)胎）的方法，這是一個(gè)難度小、成本低，但效果極好的方法。需要說明的是，在纏繞橡膠皮時(shí)注意以下幾點(diǎn)：首先要控制纏繞橡膠皮時(shí)的張力，過大的張力會導(dǎo)致零件變形，但張力過小又起不到減振及抑制變形的作用；其次，在纏繞橡膠皮時(shí)要均勻覆蓋整個(gè)零件，避免因覆蓋不均勻而導(dǎo)致零件局部變形或內(nèi)孔呈波浪狀，無法保證尺寸及幾何公差；最后，從安全的角度出發(fā)，在纏繞橡膠皮時(shí)要注意旋向及膠皮末端的位置，避免膠皮因零件高速旋轉(zhuǎn)而松動，或膠皮末端纏繞切屑而出現(xiàn)質(zhì)量或安全事故。

車外圓時(shí)先要去掉纏繞的橡膠皮，換用中心蓋板輔助支撐，用機(jī)床尾頂尖頂住中心蓋板，如圖3所示。這里有兩點(diǎn)需要說明：①中心蓋板與零件內(nèi)孔的間隙控制在0.005～0.015m m，不宜過大，否則后期的跳動很難保證。②由于是薄壁零件，因此尾座的壓力不宜過大，這一點(diǎn)可以通過在零件上壓百分表逐步調(diào)整。

圖3 機(jī)床尾頂尖頂住中心蓋板

4）精車大端的裝夾。精車大端時(shí)零件夾持部位厚度只有2m m，在外力的作用下很容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致零件松動或者尺寸、幾何公差等超差。因此在確保零件可靠裝夾的同時(shí)，如何抑制裝夾變形是本工序的重點(diǎn)。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了如圖4所示的專用夾具來裝夾。夾具由轉(zhuǎn)接盤、支柱、頂塊、定位環(huán)及螺釘?shù)葞撞糠纸M成。加工時(shí)將零件安裝在夾具的定位環(huán)上，擰緊4個(gè)緊固螺釘，推動頂塊與零件外圓緊密貼合，起到緊固零件的作用。為使零件裝卸方便，同時(shí)兼顧定位的可靠性，零件與夾具定位環(huán)為間隙配合，但是間隙不應(yīng)該＞0.02mm。為了避免零件壓傷，采用銅質(zhì)的頂塊，頂塊一端呈圓弧形，與零件外圓緊密貼合。

這種夾具在使零件可靠定位的同時(shí)，很好地解決了薄壁零件易受外力變形的情況，滿足了加工該零件的需要。本工序進(jìn)行完后，在自由狀態(tài)下基準(zhǔn)A平面度≤0.005mm，基準(zhǔn)B圓度≤0.01mm。

（2）合理選擇刀具及規(guī)劃走刀路線 該零件在加工時(shí)另一個(gè)難點(diǎn)就是大端環(huán)槽，如圖1所示大端槽寬4+0.05+0mm，內(nèi)孔一側(cè)公差為0.04mm。同時(shí)，在端槽內(nèi)部要加工出寬度為2.5mm的環(huán)槽，環(huán)槽中心距基準(zhǔn)（4±0.05）mm。這種空間狹小的窄形槽在加工時(shí)無論對刀具設(shè)計(jì)還是程序規(guī)劃都提出了嚴(yán)格的要求。

1）刀具設(shè)計(jì)。端面形槽的特點(diǎn)決定了刀具刀頭部位總寬度不能＞4mm，否則會與端槽內(nèi)壁產(chǎn)生干涉；刀具切削刃的懸伸長度不能＜1.35mm，否則無法保證環(huán)槽的深度。因此在設(shè)計(jì)時(shí)既要保證刀具的整體剛性，也要滿足切削時(shí)環(huán)槽的尺寸要求。

圖5所示是最終加工零件時(shí)的刀具示意，該刀具有如下特點(diǎn)：①采用了整體硬質(zhì)合金機(jī)夾刀片的形式。②根據(jù)零件的具體形狀，將刀頭設(shè)計(jì)成43°，解決了刀頭總寬度不能＞4mm的限制，同時(shí)有利于排屑，避免了切削時(shí)由于夾屑導(dǎo)致斷刀。③切削刃圓角為1mm，在保證刀片強(qiáng)度的同時(shí)降低切削力。

圖4 車大端夾具

圖5 刀具示意

2）程序規(guī)劃。刀具在狹窄的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動，需要合理規(guī)劃刀具路徑，并通過模擬、仿真的方式進(jìn)行驗(yàn)證，否則在切削過程很容易出現(xiàn)過切、碰撞等問題。當(dāng)加工刀具為圓頭刀時(shí)，應(yīng)該使用刀具圓心為參考點(diǎn)規(guī)劃刀具路線，這樣規(guī)劃出的刀路整齊并易于檢查。

圖6所示是加工環(huán)槽的刀具路線，采用往復(fù)式切削，進(jìn)退刀時(shí)均以P點(diǎn)為圓心滾動刀具，這樣可以保證刀具在最小的空間內(nèi)運(yùn)動，從而避免切削時(shí)過切、碰撞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖6 刀具路線

（3）加工參數(shù) 表1列舉了精加工內(nèi)外圓及大端環(huán)槽時(shí)的切削參數(shù)，加工時(shí)使用的機(jī)床為中國臺灣產(chǎn)NEX-110數(shù)控車床。由于不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)剛性，在加工中切削參數(shù)也會存在差異，因此在實(shí)際加工中要根據(jù)車間設(shè)備的狀況進(jìn)行調(diào)整。

針對表1中的參數(shù)，有以下幾點(diǎn)需要說明：①精車內(nèi)孔的切削速度數(shù)值是更換全新刀具后的參數(shù)。車內(nèi)孔時(shí)刀具伸長量較長，整個(gè)切削系統(tǒng)的剛性都比較差，當(dāng)同一刀具進(jìn)行反復(fù)切削時(shí)會出現(xiàn)嚴(yán)重的讓刀及振動，這種讓刀及振動會加劇刀具的磨損，從而使切削狀態(tài)變得更差。經(jīng)過加工試驗(yàn)，新刀具加工后內(nèi)孔前后直徑差在0.02mm左右，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)行第二次切削時(shí)，內(nèi)孔前后直徑差在0.10～0.18mm，無法滿足加工要求。②車環(huán)槽時(shí)刀具剛性差、排屑空間小，因此選擇了較為保守的切削參數(shù)，這樣可以避免切削抗力過大或者夾切屑導(dǎo)致的刀具斷裂。

表1 切削參數(shù)

4. 改進(jìn)效果

該零件加工后所有特性均合格，在自由狀態(tài)下，基準(zhǔn)B的尺寸在φ152.02～φ152.04mm；外圓內(nèi)孔對A、B基準(zhǔn)的跳動最大值為0.045 2 +0.1+0m m，壁厚為2.07～2.09mm；198.7－0－0.05m m尺寸實(shí)際為198.68～198.70mm；環(huán)槽中心距基準(zhǔn)A尺寸（4±0.05）mm實(shí)際為3.98～4.01mm，主要特性均在較好的狀態(tài)，完全符合零件驗(yàn)收的要求，圓滿完成了此次科研試制任務(wù)。

5. 結(jié)語

文中所述是筆者從某航空發(fā)動機(jī)盤心引氣套科研試制過程中所總結(jié)出的一種薄壁零件的加工方案，在新品研制及小批量加工中具有一定的可借鑒性。當(dāng)然，薄壁零件的加工工藝是多樣化的，在不同的加工車間有著不同的加工方案。如何結(jié)合本單位現(xiàn)有的設(shè)備結(jié)構(gòu)制定合理、優(yōu)化的方案，需要技術(shù)工作者不斷去摸索，去實(shí)踐。