蜂窩內(nèi)環(huán)組件加工變形分析及控制

黃強(qiáng)

中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 陜西西安 710021

1 序言

蜂窩內(nèi)環(huán)組件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一，由本體環(huán)及內(nèi)部蜂窩環(huán)焊接組合而成，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄，加工時(shí)易變形、材料難加工和尺寸精度高等典型特征。本體環(huán)材料為鎳基高溫合金，蜂窩環(huán)材料為經(jīng)固溶熱處理的耐蝕耐熱鎳基合金。在蜂窩內(nèi)環(huán)組件的加工過(guò)程中，控制變形是最能控制零件加工質(zhì)量的環(huán)節(jié)之一，因此合理安排零件加工工藝及零件裝夾定位方式，優(yōu)化零件加工程序，既可以有效控制加工變形，又可以提高零件加工質(zhì)量和合格率，降低成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，在控制蜂窩類薄壁零件加工變形方面缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，給公司蜂窩類零件的試制加工帶來(lái)一定難度。為了更好地控制加工變形，同時(shí)為后續(xù)其他蜂窩類零件的加工奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)控制蜂窩內(nèi)環(huán)組件加工變形問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 零件材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蜂窩內(nèi)環(huán)組件本體環(huán)為AMS5665鎳基高溫合金鍛環(huán)件，蜂窩環(huán)為AMS5536鎳基高溫合金壓制六方柵格。AMS5665是一種常見的高強(qiáng)度、高硬度和高溫條件下強(qiáng)度優(yōu)良的鎳基合金，材料黏性大，加工中不易斷屑，導(dǎo)熱性能較差，在切削加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的切削抗力和大量的切削熱，若散熱條件不好，刀具的磨損會(huì)很嚴(yán)重。因此，在加工過(guò)程中必須利用零件結(jié)構(gòu)，合理地選擇定位裝夾方式及加工程序，控制加工變形。

蜂窩內(nèi)環(huán)組件結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)件，其最大外徑尺寸207.874m m，總高度22.606m m，圓度要求0.02mm，零件最小壁厚0.508mm（見圖1），外圓對(duì)基準(zhǔn)位置度要求0.076m m。零件內(nèi)孔為釬焊的蜂窩環(huán)，蜂窩環(huán)內(nèi)孔尺寸φ198.044m m。零件后端沿圓周有兩處均布凸臺(tái)（見圖2），凸臺(tái)尺寸24.994m m，凸臺(tái)兩側(cè)為長(zhǎng)25.4m m×寬3.81mm×深0.127mm的空刀槽，凸臺(tái)與外圓臺(tái)階不超過(guò)0.127m m，空刀槽與凸臺(tái)徑向臺(tái)階不超過(guò)0.127mm。

該零件具有如下特征。

1）精度高。零件內(nèi)孔圓度0.05mm，外圓圓度0.02mm，后端面平面度0.015mm。

2）剛性差。壁厚尺寸0.508～0.890mm，零件剛性差。

3）工藝性差。凸臺(tái)與外圓的臺(tái)階不超過(guò)0.1 2 7 m m，空刀槽與凸臺(tái)的徑向臺(tái)階不超過(guò)0.127mm，沒有可靠的定位、裝夾基準(zhǔn)，零件在裝夾及加工時(shí)變形較大。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

圖2 零件角向定位示意

3 零件加工產(chǎn)生變形的原因

蜂窩內(nèi)環(huán)組件屬于薄壁件，其加工變形與零件的材料、幾何結(jié)構(gòu)、加工工藝、定位裝夾方式和程序設(shè)計(jì)等因素都有關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，零件材料硬度越高、黏性越大，可加工性能越差；在切削過(guò)程中，為克服材料的彈性變形、塑性變形和刀具與工件之間的摩擦力所做的功，大部分轉(zhuǎn)化為切削熱，造成零件各部位溫度不均，使零件產(chǎn)生變形；刀具在切削零件時(shí)產(chǎn)生的切削力，使零件表面產(chǎn)生塑性變形；零件在裝夾時(shí)，若零件定位基準(zhǔn)與定位面選擇不當(dāng)，夾緊力與支承力相互作用，產(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)引起變形；加工薄壁零件時(shí)，不同進(jìn)刀方式對(duì)車加工及銑加工精度的影響均不相同；加工設(shè)備、工裝的剛性，加工現(xiàn)場(chǎng)的溫度以及冷卻散熱系統(tǒng)等對(duì)零件的變形也有一定的影響。

4 工藝方案的制定

控制變形是加工蜂窩內(nèi)環(huán)組件零件的工藝關(guān)鍵。加工變形不僅破壞零件的最終精度，而且在精加工過(guò)程中時(shí)使裝夾失去定位基準(zhǔn)；變形量大時(shí)，可能會(huì)因加工余量不足而造成零件報(bào)廢。另外，變形還直接影響零件的加工成本和生產(chǎn)周期。

針對(duì)蜂窩內(nèi)環(huán)組件加工變形問(wèn)題，采取如下措施：首先，要選擇剛性較好的鍛環(huán)件作為毛坯料，這樣可以在粗加工時(shí)保持剛性，較好地控制圓度誤差；其次，要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的車加工及銑加工夾具；再次，要通過(guò)選取合理的走刀路徑及切削參數(shù)，解決零件銑加工時(shí)的讓刀問(wèn)題。

經(jīng)分析認(rèn)為，引起加工變形的原因如下。①夾緊方式。當(dāng)采用軟爪裝夾時(shí)，由徑向力夾緊零件，若夾持力太小，不能滿足粗加工所需力的要求；反之，若夾緊力太大，蜂窩內(nèi)環(huán)組件就有可能產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致零件變形。②因?yàn)榉涓C內(nèi)環(huán)組件毛坯材料壁厚不均勻，所以在同一截面上各點(diǎn)剛性不同，加工時(shí)在切削力的作用下，截面各點(diǎn)的變形不同，造成較大的誤差。③由于零件自身剛性較差，加工時(shí)振動(dòng)大，因此引起尺寸和圓度超差。

考慮到毛坯料供貨商的供料狀態(tài)，選擇經(jīng)沉淀處理+去應(yīng)力狀態(tài)的鍛環(huán)件為毛坯料，以減小毛坯料鍛造過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。為了保證零件內(nèi)孔的圓度0.07mm，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，采用粗車去除零件外圓及內(nèi)孔大余量，車外形使用自定心卡盤定位裝夾（見圖3a），車端面及內(nèi)、外形使用軟爪定位裝夾（見圖3b）。若在車端面及內(nèi)、外形時(shí)，直接將內(nèi)孔加工到最終尺寸，由于零件受徑向力作用，加工后零件圓度較差，無(wú)法滿足圓度0.07mm的要求（見圖3c）。

圖3 蜂窩組件釬焊前車加工

由于夾具的受力均在零件兩端面之間，當(dāng)零件端面的加工精度較高時(shí)，工件的夾緊誤差可忽略不計(jì)，因此對(duì)工件加工精度的影響非常小，加工后零件變形較小。粗車去除鍛件的大余量后，使用車床夾具定位裝夾零件（見圖3c），加工前找正零件內(nèi)孔，保證加工后零件內(nèi)孔外圓的同心度。在使用車床夾具定位裝夾后，零件的夾緊方式及夾緊力得到改善，夾緊力由徑向夾緊改為軸向夾緊，提高了零件加工后內(nèi)孔圓度的穩(wěn)定性。采用該加工工藝，零件蜂窩釬焊前內(nèi)孔圓度控制在0.03～0.07mm，可滿足設(shè)計(jì)要求。

5 夾具設(shè)計(jì)

5.1 車加工夾具

因蜂窩內(nèi)環(huán)組件剛性差，裝夾時(shí)夾、壓的彈性變形將影響工件表面的尺寸精度、形狀和位置精度，造成裝夾變形。為了減少定位誤差和保證定位穩(wěn)定可靠，精車時(shí)選用左端面及內(nèi)孔分別作為第一和第二定位基準(zhǔn)，并用中心壓板和螺母夾緊零件。由于在釬焊前內(nèi)孔圓度得到較好控制，蜂窩釬焊后零件的整體變形相對(duì)較少，進(jìn)行精車工序時(shí)，使用車床夾具對(duì)零件進(jìn)行定位裝夾（見圖4）。

圖4 精加工外形定位示意

通過(guò)對(duì)車床夾具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，找正車床夾具心軸，對(duì)夾具本體上的定位端面及定位止口與零件進(jìn)行配車加工，確保夾具本體與夾具心軸的同心度滿足要求。使用的車床夾具本體與夾具壓板上箍緊的定位圓必須保持較好的同心度，再找正壓板中心配合孔，車加工壓板上與零件配合的止口圓，保證零件壓板與配合孔同心，并增加零件右端內(nèi)孔支撐長(zhǎng)度，提高裝夾零件時(shí)的剛性（見圖5）。夾具在加工過(guò)程中可有效地夾緊零件，粗車加工切削力較大，零件在加工后不易產(chǎn)生竄動(dòng)。

圖5 精加工壓板示意

通過(guò)對(duì)壓板進(jìn)行分析，將壓板的止口尺寸與零件進(jìn)行配車，使壓板的止口與零件內(nèi)孔貼合良好，同時(shí)應(yīng)保持壓板的回轉(zhuǎn)中心與夾具本體同心。配車后的壓板，提高了安裝精度，零件在車加工過(guò)程中不易發(fā)生竄動(dòng)，既保證了零件加工后的圓度，又有效控制了蜂窩內(nèi)環(huán)組件車加工產(chǎn)生的變形。

5.2 銑加工夾具

零件外形銑加工時(shí)，若采用箍緊零件內(nèi)孔的定位方式加工，零件外圓圓度并不理想，找正后零件外圓徑向圓跳動(dòng)較大。因此，改變零件裝夾定位方式，使用平磨過(guò)的零件端面及車加工后的外圓定位，制造一套與零件外圓配合的銑床夾具，用夾具內(nèi)孔箍緊零件外圓，采用中心壓板在零件上端面壓緊的方式裝夾零件（見圖6）。夾具制造完成后，通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)夾具內(nèi)孔、零件外圓尺寸，確保夾具內(nèi)孔與零件外圓間隙在0.02～0.05mm。通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)夾具壓板上定位止口與裝配孔的同心度，控制夾具本體與壓板定位止口的同心度，保證零件裝夾后的圓度。

6 程序設(shè)計(jì)

6.1 車加工程序方案

精車加工時(shí)，先去除粗車加工零件變形部分的余量，再使用35°尖刀VCMT160402-SM進(jìn)行精車加工（見圖7）。加工過(guò)程中觀察刀片磨損狀態(tài)，保證刀片鋒利，在保證零件尺寸的同時(shí)，控制零件圓度，在最后一刀精車時(shí)，增加程序去毛刺，節(jié)省后續(xù)手工去毛刺時(shí)間。采用優(yōu)化后的加工程序，零件圓度合格率由20%～25%提高到100%。

圖7 精車內(nèi)孔加工示意

精車外形分為粗車、半精車和精車3個(gè)階段。粗車時(shí)采用大吃刀量（見圖8），每刀的吃刀量1.0mm，縮短加工時(shí)間；半精加工消除去余量時(shí)產(chǎn)生的變形，每刀的吃刀量0.5mm；精加工保證零件尺寸及圓度，每刀的吃刀量0.2m m，程序線速度30m/min，進(jìn)給量0.1mm/r。粗車加工后零件的徑向圓跳動(dòng)0.01～0.02mm，精車加工后零件在機(jī)床上的徑向圓跳動(dòng)在0.01mm以內(nèi)，零件無(wú)竄動(dòng)現(xiàn)象，直徑尺寸滿足圖樣要求，三坐標(biāo)檢測(cè)零件圓度在0.10mm以內(nèi)。

圖6 銑加工定位示意

圖8 精車外形加工示意

6.2 銑加工程序方案

銑外形加工時(shí)，若使用棒銑刀，切削力較大，零件在加工過(guò)程中容易發(fā)生擠壓變形，加工完后零件輕微反彈，徑向圓跳動(dòng)較大，外圓臺(tái)階尺寸0.127mm較難保證。加工完成后，通過(guò)杠桿表檢測(cè)銑加工外圓與之前車加工外圓的臺(tái)階高度，零件剛性較好的部分，臺(tái)階尺寸為0.05～0.10mm，可滿足設(shè)計(jì)要求。但是零件剛性較差處以及零件箍緊后徑向圓跳動(dòng)較大的部位，加工后臺(tái)階尺寸0.03～0.20mm，通過(guò)程序補(bǔ)償或者圓弧插補(bǔ)加工，不能滿足≤0.127mm的要求，只能通過(guò)手工拋修才能滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)證明，銑外形使用T型φ10mm專用銑刀加工可較好地控制零件加工時(shí)的變形（見圖9）。T型銑刀轉(zhuǎn)速300r/min，進(jìn)給量0.02mm/z，進(jìn)退刀時(shí)，使用圓弧插補(bǔ)的方式，減小刀具切入及離開零件時(shí)產(chǎn)生的切削力。在零件加工過(guò)程中，經(jīng)檢測(cè)，箍緊后的零件外圓徑向圓跳動(dòng)0.05～0.10mm，加工后零件外圓徑向圓跳動(dòng)≤0.12mm，臺(tái)階尺寸0.127mm可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 銑加工程序模擬示意

6.3 圓角銑加工優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)銑加工試切時(shí)發(fā)現(xiàn)，刀具從大圓弧切入拐角小圓角以后，在小圓角處存在明顯的切削力突變現(xiàn)象。切削力的突變不僅會(huì)使銑刀和零件的加工變形增大，造成欠切，而且嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在小圓角處產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象，在圓角過(guò)切的部位，還會(huì)產(chǎn)生切削振動(dòng)，留下明顯的振紋，嚴(yán)重影響零件銑削的表面質(zhì)量，增加刀具消耗和生產(chǎn)成本。

為此，對(duì)工件從大圓弧切入拐角小圓角時(shí)的刀具路徑進(jìn)行了細(xì)化：在走刀過(guò)程中，選擇合適直徑的刀具，保持刀具切削夾角在一定范圍內(nèi)，避免較大波動(dòng)；在精銑加工時(shí)，附加了走刀路徑，以減小刀具在小圓角處的切削面積，從而避免切削力突然增高；在圓角加工時(shí)，增加分段降速處理，消除切削過(guò)程中的振刀問(wèn)題，使加工后的工件表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)降低了刀具消耗及加工成本。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)蜂窩內(nèi)環(huán)組件進(jìn)行工藝分析，認(rèn)為引起加工變形的主要原因是夾緊方式、加工程序及自身剛性較差等。通過(guò)設(shè)計(jì)定位可靠的車加工夾具，控制了車加工后的圓度；通過(guò)改變銑加工裝夾定位方式，使銑加工零件變形問(wèn)題有較大改善；通過(guò)對(duì)車加工、銑加工及圓角加工程序進(jìn)行優(yōu)化，消除了切削過(guò)程中的振刀問(wèn)題，使加工后工件表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，改善了工件切削的受力狀態(tài)，提高了加工合格率。

專家點(diǎn)評(píng)

該文就控制蜂窩內(nèi)環(huán)組件加工變形問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。加工過(guò)程中利用零件的結(jié)構(gòu)特征，合理選擇定位裝夾方式及加工程序，改善工件切削的受力狀態(tài)，控制加工變形，提高了加工合格率。

文章內(nèi)容貼近生產(chǎn)實(shí)際，通俗易懂，實(shí)用性強(qiáng)，從設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)行理論分析，確定加工變形的主要原因并進(jìn)行深入研究是其成功之處。