前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)銑削加工工藝及變形控制

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

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)進(jìn)度加快，發(fā)動(dòng)機(jī)材料工藝改進(jìn)明顯，但零部件的制造及裝配精度仍較難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)尺寸精度高，其定位面與支撐面剛性較差，在裝夾過(guò)程中軸向受力不均勻，易產(chǎn)生壓緊變形。零件加工過(guò)程中，由于受切削力及自身剛性影響，容易出現(xiàn)讓刀變形現(xiàn)象，致使扇形槽加工后精度無(wú)法達(dá)到要求。四川理工學(xué)院的趙虎對(duì)薄殼類零件槽孔加工進(jìn)行了改進(jìn)[1]，從工藝設(shè)計(jì)、零件安裝和機(jī)床選用等方面對(duì)槽孔加工工藝進(jìn)行論證，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，但對(duì)零件結(jié)構(gòu)與夾具的配合定位，以及控制零件加工變形方面敘述較少；傅廣義、楊民等對(duì)淺扇形槽進(jìn)行了近似銑削加工[2]，對(duì)近似加工原理進(jìn)行闡述，并結(jié)合案例進(jìn)行試切驗(yàn)證，對(duì)工件夾具及其支撐方式的分析較少；煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李軻優(yōu)化了銑直槽精度的編程方法[3]，直槽的加工質(zhì)量和效率有了很大提高，但未對(duì)工件定位及輔助支撐等進(jìn)行說(shuō)明。

本研究利用前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析零件材料特性及定位結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)適用于零件扇形槽加工的輔助支撐夾具，提高零件支撐、裝夾剛性，控制扇形槽與徑向孔的角向位置，防止因角向定位誤差而導(dǎo)致加工后零件位置度超差。通過(guò)對(duì)刀具方案進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化扇形槽加工策略，提出扇形槽銑加工工藝方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 零件材料及結(jié)構(gòu)特征

2.1 材料分析

圖1所示前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件材料為GH4720Li變形高溫合金，是由Udimet720尤迪梅特鎳基耐熱合金轉(zhuǎn)化而來(lái)，并經(jīng)過(guò)改良設(shè)計(jì)的一種高性能、高強(qiáng)度和耐腐蝕的鎳基高溫合金。這種材料中鈷、碳和硼含量較低，以Mo、W、Cr和Co經(jīng)固溶強(qiáng)化形成，其合金化程度非常高。高溫合金GH4720Li中鈦和鋁的含量非常高，合金中的主要強(qiáng)化相γ′含量超過(guò)40%，高溫力學(xué)性能優(yōu)越，是一種高硬度、高強(qiáng)度鎳基變形高溫合金。其服役溫度較高，廣泛應(yīng)用于前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)及航空渦輪盤(pán)零件，以及在短期內(nèi)用于高溫環(huán)境下的渦輪盤(pán)零件中。

圖1 前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件

GH4720Li在高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)試切試驗(yàn)，認(rèn)為該材料在切削時(shí)有如下特點(diǎn)[4]。

1）彈性變形大。工件在試切時(shí)，加工刀具與切屑之間的滑動(dòng)摩擦大，加工后材料回彈變形，零件加工后尺寸精度不易保證。刀具磨損較快，加工后工件表面粗糙度較差。

2）材料黏性大。切削時(shí)切屑易纏刀，刀具及工件表面不能及時(shí)散熱，切屑對(duì)零件已加工表面易造成劃傷。

3）塑性變形大。在切削區(qū)域切削熱集中，材料在高溫下產(chǎn)生較大變形。

2.2 零件結(jié)構(gòu)分析

圖2為前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)結(jié)構(gòu)剖視圖。前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)為封嚴(yán)類環(huán)形件，加工扇形槽前，工件毛坯為車(chē)削加工后狀態(tài)。扇形槽結(jié)構(gòu)及加工余量如圖3所示，端面槽區(qū)域?yàn)檐?chē)削加工形成的環(huán)形槽，端面槽區(qū)域靠近中心線部分為加工余量。車(chē)削加工后工件表面粗糙度值Ra=1.6μm。

圖2 前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)結(jié)構(gòu)剖視

圖3 扇形槽結(jié)構(gòu)及加工余量

扇形槽沿圓周方向非連續(xù)，由于端面槽區(qū)域空間較小，所以扇形槽選擇銑削加工方法。

零件精密圓尺寸φ116-0.09-0.17mm，對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B跳動(dòng)要求0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8μm。內(nèi)孔尺寸φ75.62mm，壁厚1.0mm。端面槽沿徑向?qū)挾?mm，端面槽中沿周向均布6處扇形槽，扇形槽中間間隔6處凸臺(tái)，凸臺(tái)尺寸2-0-0.15mm，凸臺(tái)對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B的位置度0.03mm，扇形槽根部與端面槽轉(zhuǎn)接處R1mm最大，扇形槽轉(zhuǎn)接R（1±0.3）mm。

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)凹槽結(jié)構(gòu)如圖4所示。零件上端由圓弧面與上凹槽1組成，上凹槽1的底面與零件上端水平面成固定角度。上凹槽1中沿周向均布6處扇形槽，扇形槽的底面與上凹槽1的底面在圖4J處接刀。零件下端有兩處異形槽，分別為下凹槽2及下凹槽3，其分別沿著與水平方向成不同角度的軸線向內(nèi)、外延伸，形成不同槽型。零件下端3處定位面均較小，上端壓緊面與下端支撐面在受力狀態(tài)下較難平衡，使用夾具定位裝夾時(shí)，零件在壓緊力及支撐力的作用下產(chǎn)生扭曲變形。在加工扇形槽時(shí)，受刀具切削力共同作用，加工后扇形槽變形較大，零件的加工精度較差。

圖4 凹槽結(jié)構(gòu)

導(dǎo)流盤(pán)扇形槽所在端面槽寬度5mm，銑加工槽底斜面與車(chē)削加工槽底轉(zhuǎn)接處寬度3.2mm，考慮進(jìn)退刀安全距離，銑加工刀具直徑應(yīng)≤3mm，刀具有效切削長(zhǎng)度≥4.1mm。小直徑銑刀加工該零件時(shí)，刀具磨損較大，零件加工后φ116-0.09-0.17mm尺寸合格率低，工件表面質(zhì)量較差，扇形槽尺寸及對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B的跳動(dòng)較難保證。

2.3 零件特征

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件特征總結(jié)如下。

（1）精度高 扇形槽尺寸公差嚴(yán)，扇形槽對(duì)基準(zhǔn)的位置精度要求較高。

（2）剛性差 支撐面及壓緊面剛性差，夾持系統(tǒng)剛性差。

（3）可加工性差 刀具直徑小，扇形槽及槽底加工后讓刀，斜槽與環(huán)形槽接刀處尺寸合格率低。

3 零件加工工藝

3.1 加工工藝分析

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件扇形槽加工時(shí)，定位裝夾方案是影響扇形槽加工精度的重要因素。通過(guò)分析零件結(jié)構(gòu)及尺寸，選擇合理的定位面，優(yōu)化零件的壓緊方式，在夾具上設(shè)置有效的輔助支撐，對(duì)控制零件銑加工變形有重要意義。在設(shè)計(jì)輔助支撐夾具時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題是：定位基準(zhǔn)與支撐面的選擇缺乏規(guī)范性、可靠性不高；夾具間通用性較差，不同夾具之間可替換性差；夾具設(shè)計(jì)管理不到位；夾具設(shè)計(jì)依賴現(xiàn)有零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，缺乏創(chuàng)新，夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化不足等[5]。

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)在定位時(shí)，選擇不同的定位、裝夾基準(zhǔn)，產(chǎn)生不同的夾具定位結(jié)構(gòu)。夾具設(shè)計(jì)時(shí)壓板的結(jié)構(gòu)、壓緊力大小、壓緊點(diǎn)布局及壓板數(shù)量不同，零件裝夾時(shí)的變形也不相同[6]。使用壓板壓緊時(shí)，壓板在零件表面產(chǎn)生不規(guī)則的殘余應(yīng)力，使零件產(chǎn)生不可控的變形。

對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的家族類零件，通常采用相似的工藝方法進(jìn)行加工。加工不同區(qū)域時(shí)，采用不同的夾具設(shè)計(jì)，所需的夾緊力大小也不相同。在不同的夾具設(shè)計(jì)和夾緊力相互作用下，由于零件各部位的定位剛性存在差異，所以加工后零件的變形量也不同，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的加工誤差。因此，合理選擇夾具的布局、調(diào)整壓板的夾緊力，對(duì)控制零件加工變形、提高零件加工精度及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義[7]。

3.2 定位支撐方案

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)是某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪核心零件之一，其特點(diǎn)是材料難加工、型面復(fù)雜、扇形槽尺寸精度高及結(jié)構(gòu)空間小，定位裝夾易變形。在加工扇形槽時(shí)，采用傳統(tǒng)定位方案，由于零件屬于薄壁件，所以其定位面及壓緊面剛性較差[8]。

零件的下端有兩處異形端面槽，定位時(shí)下端大部分區(qū)域處于懸空狀態(tài)，下端三處定位面均較小，上端壓緊面與下端支撐面在受力狀態(tài)下較難平衡[9]。下端凹槽在夾具定位裝夾后，在壓緊力及支撐力共同作用下，零件會(huì)產(chǎn)生扭曲變形；使用小直徑銑刀在上端槽內(nèi)切削時(shí)，刀具沿徑向及刀具垂直方向的切削力使零件產(chǎn)生加工變形，加工后扇形槽變形較大，零件加工精度較差。導(dǎo)流盤(pán)零件材料為GH4720Li變形高溫合金，出現(xiàn)裝夾變形或加工變形后，后續(xù)加工很難對(duì)變形進(jìn)行消除[10]。為控制前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件圓弧精密槽加工變形，提高零件定位裝夾可靠性，設(shè)計(jì)了用于前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)扇形槽加工的輔助支撐夾具[11]。該夾具通過(guò)選擇合理的定位面及支撐面，提高零件定位精度，達(dá)到改善零件定位狀態(tài)、提高扇形槽銑加工合格率的目的[12]。

通過(guò)對(duì)前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種用于前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件扇形槽加工定位支撐夾具（見(jiàn)圖5）。通過(guò)在零件外圍均勻設(shè)置4處勾壓板，在零件下端靠近外圓處的端面設(shè)置浮動(dòng)環(huán)，浮動(dòng)環(huán)下方沿圓周均勻設(shè)置4處輔助支撐桿。輔助支撐桿的一端設(shè)置滾花螺釘并與夾具底座聯(lián)接，另一端設(shè)置在浮動(dòng)環(huán)的下方，對(duì)浮動(dòng)環(huán)起支撐作用。通過(guò)擰緊或松開(kāi)滾花螺釘，滾花螺釘撬動(dòng)輔助支撐桿，使浮動(dòng)環(huán)浮起或沉下，對(duì)零件下端靠近外圓處的端面起到輔助支撐作用[13]。

圖5 前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件扇形槽加工定位支撐夾具

定位支撐夾具（見(jiàn)圖5中E―E剖視圖）底座右端設(shè)置拉直邊，用于確定夾具在機(jī)床上安裝時(shí)的角向位置。夾具底座上設(shè)置定位環(huán)，定位環(huán)的上端定位面及定位止口分別與零件的端面及外圓配合定位[14]。夾具底座外圍均布4處勾壓板，對(duì)零件進(jìn)行壓緊。零件的下端面設(shè)置浮動(dòng)環(huán)，浮動(dòng)環(huán)對(duì)零件下端形成輔助支撐，防止零件在壓緊時(shí)產(chǎn)生變形[15]。夾具底座上還設(shè)置了定位塊1和定位塊2，定位塊1的作用是與插銷前端的定位銷部分配合，精確定位插銷的角向位置，確保插銷與零件的角向孔準(zhǔn)確配合；定位塊2引導(dǎo)插銷進(jìn)入，對(duì)插銷尾端起支撐和穩(wěn)定作用。定位塊1和定位塊2通過(guò)螺釘固定在夾具底座上[16]，并保持固定水平定位關(guān)系。將插銷穿設(shè)在定位塊1和定位塊2中，插銷左端定位圓柱銷穿設(shè)于前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件的小孔中，使導(dǎo)流盤(pán)零件的角向位置固定。

夾具底座與圓柱形定位環(huán)為獨(dú)立設(shè)計(jì)，定位環(huán)通過(guò)螺釘固定在夾具底座上。零件安裝前先卸掉插銷，調(diào)整滾花螺釘?shù)母叨仁垢?dòng)環(huán)下沉，將前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件放置在夾具的定位環(huán)中，使零件端面與定位環(huán)的上端定位面貼合，零件外圓與定位環(huán)的內(nèi)孔配合。轉(zhuǎn)動(dòng)零件調(diào)整小孔的角向位置，目視觀察使零件的小孔與定位塊1上的小孔對(duì)齊，插入插銷，并將其前端圓柱定位銷插入導(dǎo)流盤(pán)零件的小孔，使零件的角向位置固定。

3.3 變形控制

前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件下端有2處端面槽，端面槽兩側(cè)為軸向凸臺(tái)，由于凸臺(tái)較小，使用凸臺(tái)底面作為主定位無(wú)法形成可靠支撐，所以為了增強(qiáng)零件剛性，考慮在零件下端增加輔助支撐[17]。由于零件結(jié)構(gòu)較小，下端3處臺(tái)階的直徑為85～135mm，如果在零件下端設(shè)計(jì)螺釘輔助支撐，零件安裝后，螺釘支撐被零件擋住，零件下端的輔助支撐螺釘很難調(diào)節(jié)。為方便對(duì)輔助支撐進(jìn)行調(diào)整，在零件下端設(shè)計(jì)了浮動(dòng)環(huán)，浮動(dòng)環(huán)下方沿圓周方向均布設(shè)置4處輔助支撐桿，支撐桿底部為圓弧形設(shè)計(jì)，外側(cè)分別裝有滾花螺釘，滾花螺釘穿設(shè)于輔助支撐桿中，并與夾具底座聯(lián)接（見(jiàn)圖5中F―F剖視圖）。

首先，分別調(diào)整4處滾花螺釘，旋出滾花螺釘使其放松，螺釘帶動(dòng)輔助支撐桿使其沿回轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐桿靠近零件的一端下沉，使浮動(dòng)環(huán)整體向下移動(dòng)，以保證前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件安裝后，零件的下端面與浮動(dòng)環(huán)的上表面的間隙≥0.1mm。然后使用勾壓板壓緊零件上端，零件基準(zhǔn)面A在之前工序由立式磨床加工，基準(zhǔn)面A的平面度為0.002mm左右，勾壓板壓緊零件時(shí)，應(yīng)在零件上端基準(zhǔn)A處設(shè)置杠桿表檢查，勾壓板在壓緊零件前及壓緊零件后，杠桿表的指針變化量應(yīng)＜0.005mm，保證零件基準(zhǔn)面在壓緊時(shí)的變形量控制在0.005mm以內(nèi)。依次壓緊零件上端4個(gè)勾壓板后，再對(duì)基準(zhǔn)面A的軸向圓跳動(dòng)進(jìn)行檢查，如果個(gè)別區(qū)域變形量較大，可使用墊塞尺的方法將零件墊平，確保機(jī)床打表檢查零件基準(zhǔn)A的軸向圓跳動(dòng)＜0.01mm。

壓緊勾壓板時(shí)，應(yīng)依次擰緊4處滾花螺釘，滾花螺釘對(duì)應(yīng)的零件上端面設(shè)置杠桿表檢查跳動(dòng)變化。滾花螺釘帶動(dòng)輔助支撐桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐桿靠零件的一端上移，使浮動(dòng)環(huán)慢慢上移與零件貼合，對(duì)零件起到輔助支撐的作用。擰緊滾花螺釘時(shí)，應(yīng)保證杠桿表的指針變化量在0.002～0.005mm，以此保證輔助支撐起到支撐作用，避免因支撐力過(guò)大而引起零件裝夾變形。

使用輔助支撐裝夾零件，零件基準(zhǔn)A在裝夾前、后的變形量可控制在0.01 mm內(nèi)，輔助支撐可提高零件結(jié)構(gòu)剛性，有效減小零件在銑削時(shí)因受切削力影響而產(chǎn)生的彈性變形。

4 扇形槽加工方法

4.1 刀具方案

封嚴(yán)導(dǎo)流盤(pán)需加工的扇形槽寬度4.1mm，扇形槽長(zhǎng)度約60mm，深度5mm，根部及轉(zhuǎn)接R≤1mm。為提高加工效率，保持刀具剛性，應(yīng)盡可能選擇直徑較大的刀具。考慮到扇形槽的寬度及進(jìn)退刀距離，粗銑選擇直徑3mm銑刀去除大余量；半精加工及清角時(shí)，應(yīng)盡量為精加工均勻余量，考慮根部及轉(zhuǎn)接尺寸R≤1m m，半精銑及清角加工選擇直徑1.5m m球頭銑刀，將精加工余量控制在合理范圍內(nèi)；精加工輪廓時(shí)，由于尺寸及幾何公差要求較高，小直徑球頭銑刀加工時(shí)讓刀，無(wú)法滿足精加工要求，所以精加工選用直徑3mm銑刀，以保證精密圓尺寸φ116-0.09-0.17mm及對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B跳動(dòng)0.01mm的要求。

4.2 切削方案

扇形槽粗銑時(shí)，為了提高加工效率，使用螺旋快速銑削的方法，去除扇形槽內(nèi)腔的大余量。由于零件下方設(shè)置了輔助支撐，所以零件在銑加工時(shí)剛性相對(duì)較好，粗銑采用小切削深度、大進(jìn)給的加工方案，配合機(jī)床的高壓冷卻系統(tǒng)，可在較短時(shí)間內(nèi)完成粗銑操作，且刀具磨損較小。扇形槽銑削模型及刀具軌跡如圖6所示。粗加工每層切削深度不宜過(guò)大，切削深度過(guò)大容易使刀具產(chǎn)生過(guò)大負(fù)載而產(chǎn)生崩刃或斷刀；粗加工可采用較高的切削速度及進(jìn)給速度，盡可能提高加工效率；對(duì)于精銑加工，除了需要保證零件凸臺(tái)尺寸2-0-0.15mm，還要考慮到根部轉(zhuǎn)接R要求。精銑使用直徑1.5mm球頭銑刀，切削刃長(zhǎng)度為1mm，刀具有效懸伸5mm，采用等高輪廓切削加工方法，既可保證零件尺寸，也可滿足銑削加工后扇形槽底部表面粗糙度要求。精銑刀在進(jìn)行清角加工時(shí)，圓弧轉(zhuǎn)角采用30%～50%減速處理，避免因切削抗力過(guò)大而導(dǎo)致銑刀斷裂。

圖6 扇形槽銑削模型及刀具軌跡

直接使用直徑1.5mm銑刀對(duì)精密圓進(jìn)行精銑，由于刀具直徑小，刀具剛性不足，所以無(wú)法達(dá)到精密圓尺寸φ116-0.09-0.17mm及對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B跳動(dòng)0.01mm的要求。選用直徑3mm銑刀對(duì)精密圓直徑部分進(jìn)行精銑，銑刀剛性相對(duì)較好，可有效避免讓刀現(xiàn)象。精銑精密圓時(shí)，深度方向必須一次銑削到位。分層銑削存在刀具磨損誤差，無(wú)法保證精密圓的跳動(dòng)要求。精銑余量也是精密圓銑削的關(guān)鍵因素之一，結(jié)合零件材料GH4720Li的切削特性，精銑余量為0.02～0.03mm時(shí)切削效果最好。精銑余量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致精加工刀具磨損加快，從而使加工精度降低；精銑余量過(guò)小則銑刀無(wú)法正常切削，切削刃易產(chǎn)生擠壓及磨削，加工后工件表面質(zhì)量較差。此外，精銑加工必須選用刃口鋒利的新銑刀，修磨刀具因剛性較差、刃口不利而無(wú)法達(dá)到精密圓的銑削要求。

4.3 參數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)扇形槽銑削刀具方案，粗銑選用國(guó)產(chǎn)φ3mm硬質(zhì)合金涂層銑刀，切削刃長(zhǎng)度3mm，切削深度≥8mm；精銑選用φ1.5mm球頭銑刀，材質(zhì)為涂層硬質(zhì)合金；精密圓銑削選用φ3mm硬質(zhì)合金涂層銑刀，切削刃長(zhǎng)度5mm。

機(jī)床選用菲迪亞HS664搖籃式五軸加工中心，功率為65kW，主軸允許最高轉(zhuǎn)速S=20000r/min，使用動(dòng)平衡刀柄裝夾。扇形槽銑削加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 扇形槽銑削加工參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)前二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)零件材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了適用于扇形槽定位、裝夾的輔助支撐夾具，使用簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)，有效提高了零件支撐剛性。通過(guò)對(duì)粗、精加工刀具選型，優(yōu)化了扇形槽切削方案，確定了適用于變形高溫合金扇形槽的切削參數(shù)，解決了扇形槽尺寸及跳動(dòng)精度無(wú)法保證的問(wèn)題。