某高精度機(jī)匣制造技術(shù)及應(yīng)用

于冠龍 姜 珊 歐陽憲 宋 峰

（1.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)某軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110043）

0 引言

某高精度機(jī)匣不僅是發(fā)動機(jī)重要的承力部件，還是整個發(fā)動機(jī)裝配的基準(zhǔn)，零件前端與風(fēng)扇機(jī)匣相連，后端與前機(jī)匣配合，零件交付狀態(tài)的精度直接影響發(fā)動機(jī)整機(jī)的裝配質(zhì)量，零件的交付質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的性能有重要作用。隨著生產(chǎn)任務(wù)逐年增加，零件的加工穩(wěn)定性是該型別科研產(chǎn)品順利交付的重要保證。

1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

該高精度機(jī)匣為精密鑄造輪輻式機(jī)匣類零件，該零件具備6處安裝邊何10余種孔系等機(jī)匣類零件的典型結(jié)構(gòu)。該零件外徑約?1000mm、總高超過200mm，內(nèi)環(huán)安裝邊的圓跳動僅為0.02mm、其余位置安裝邊的圓跳動為0.03mm～0.05mm，端面孔孔系的位置度僅為?0.03mm，零件需要在自由的狀態(tài)下來保證全部的尺寸和技術(shù)條件，該零件存在引氣槽、安裝邊背面拋修等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了保證該零件交付質(zhì)量的穩(wěn)定性，需要從其使用需求出發(fā)，針對每項加工影響因素制定全方面的技術(shù)方案。

為實現(xiàn)該高精度機(jī)匣的合格交付，針對零件整體的生產(chǎn)過程進(jìn)行如下工藝優(yōu)化工作：1）為實現(xiàn)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確找正，需要使用兩個角向銷釘孔的實際坐標(biāo)值換算得到零件的回轉(zhuǎn)中心，使用該數(shù)值加工零件止口。2）為了保證零件精密尺寸的合格交付，結(jié)合薄壁件加工變形控制經(jīng)驗，需要調(diào)整其工藝路線及走刀方式，將前移對止口精度影響較大的鉆孔、車槽加工內(nèi)容并保證精密止口與基準(zhǔn)止口的同工位加工。3）對特殊結(jié)構(gòu)例如反锪孔內(nèi)容，現(xiàn)有刀具無法實現(xiàn)數(shù)控加工，應(yīng)制作專用刀具來保證刀具刃長滿足锪孔尺寸。

分析影響加工穩(wěn)定性的因素，應(yīng)提高零件加工狀態(tài)一致性及加工系統(tǒng)剛性，盡可能地消除操作者在生產(chǎn)過程中的干預(yù)情況[1]。通過保證該機(jī)匣尺寸的精度及加工過程的穩(wěn)定性來達(dá)到其批量交付產(chǎn)品100%滿足裝配的使用要求。

2 加工驗證

2.1 解決裝夾系統(tǒng)剛性問題

零件的初始裝夾方式為使用墊塊裝夾壓緊，由于該零件自身的質(zhì)量較大，因此在裝夾壓緊過程中時常發(fā)生裝夾變形的情況，加上其精加工工序的尺寸精度要求高，公差不足0.05mm，圓跳動僅為0.02mm，無法滿足后續(xù)的加工要求。

為提高裝夾系統(tǒng)穩(wěn)定性，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點制作裝夾使用的工裝：選取零件外環(huán)底面作為定位面、其背面作為壓緊面，夾具采用環(huán)形定位塊來增加當(dāng)壓緊時的接觸面積，在止口處預(yù)留0.2mm間隙來避免裝夾過定位；由于該零件為8處支板圓周均勻分布，因此可選取4處或8處壓板壓緊，考慮該零件自身質(zhì)量，最終確定使用8塊壓板均布壓緊來提高壓緊力；考慮到零件各個工序的定位尺寸和現(xiàn)場各個加工設(shè)備之間的差異，將夾具裝夾位置預(yù)留一定的間隙，使夾具在各工序間可以通用；制作Z型壓板減少壓板及螺樁的干涉影響區(qū)域，零件放置在夾具上并壓緊的狀態(tài)如圖1所示，壓板及螺樁低于外側(cè)凸臺結(jié)構(gòu)來消除刀柄的運行碰撞。依據(jù)這個思路，制造另一側(cè)使用的裝夾用工裝來解決零件裝夾系統(tǒng)剛性差的問題，此外夾具后續(xù)的使用頻率較高，能夠降低裝夾成本。

圖1 零件加工裝夾示意圖

2.2 解決反锪孔銑加工問題

該高精度機(jī)匣存在反锪孔結(jié)構(gòu)，反锪孔直徑為?15mm，端面孔直徑僅為?8mm，半徑差超過3mm。常規(guī)加工方法為在普通設(shè)備上將锪刀桿穿過端面孔，然后操作者手動安裝锪孔刀片，回拉锪刀桿進(jìn)行加工。該方法不但嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和加工穩(wěn)定性，而且還存在誤傷操作人員或零件的安全隱患。

為解決反锪孔結(jié)構(gòu)自動化加工難題，依據(jù)孔徑尺寸制作專用反鏜刀。該刀具為單刃偏心結(jié)構(gòu)，刀具最大寬度為7.8mm，小于端面孔直徑?8mm，可在主軸停轉(zhuǎn)的狀態(tài)下自動穿過端面孔。該刀具的回轉(zhuǎn)中心不在刀具前端面的中心點位置，在穿過端面孔后須將刀具回轉(zhuǎn)中心移至孔軸線位置，其刀刃懸長3.3mm，當(dāng)?shù)毒呃@回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)時，刀尖最外沿直徑可達(dá)到反锪孔直徑?15mm，然后回拉反鏜刀進(jìn)行反鏜加工[2]，在加工至要求深度后，按進(jìn)刀方式進(jìn)行退刀動作。當(dāng)在數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行自動化反鏜加工時，須固定反鏜刀停轉(zhuǎn)的角度，否則一旦角度稍有偏差，當(dāng)穿孔時就會刮傷端面孔，造成尺寸超差。為了控制主軸停轉(zhuǎn)的角度，對西門子數(shù)控系統(tǒng)的“SPOS”指令進(jìn)行功能開發(fā)使用，將當(dāng)?shù)毒咄＾D(zhuǎn)時的角度調(diào)整為固定值，實現(xiàn)刀具穿入、穿出端面孔的位置。

在固定程序中的停轉(zhuǎn)角度對當(dāng)操作者安裝刀具時的角度要求極高。為了解決操作者無法上刀的問題來分析刀具結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其為偏心結(jié)構(gòu)。在刀具安裝后通過百分表進(jìn)行打表檢查可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)百分表示數(shù)最小時刀軸角度即為加工要求角度。采用參數(shù)化編程方式：“R98=_X、R99=_Y、R100=_C”，操作者可以將這時的主軸角度輸入至參數(shù)中：“SPOS[2]= R100”，即可在程序中固化刀具需要運行的角度，從而解決刀具固定角度后無法上刀的問題，實現(xiàn)反锪孔全過程的自動化加工。

2.3 解決加工基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化問題

該高精度機(jī)匣的設(shè)計基準(zhǔn)位置與其他機(jī)匣類零件的基準(zhǔn)位置均不相同，該零件采用一面兩銷的定位模式確定零件加工基準(zhǔn)，一面兩銷基準(zhǔn)位置如圖2所示。常規(guī)找正方案為使用專用夾具進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，但由于零件質(zhì)量大，三處定位面極小且不可見，毛料任一直徑圓心與理論圓心之間存在鑄造誤差，因此無法直接作為零件加工基準(zhǔn)使用，須解決基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的問題。

圖2 基準(zhǔn)位置示意圖

實現(xiàn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化分為兩方面，一是要將軸向基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為加工基準(zhǔn)面，二是要在機(jī)床上找正設(shè)計理論回轉(zhuǎn)中心。軸向基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化通過刀具前端刃對刀后加工至指定尺寸即可實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)中心的找正需要根據(jù)兩個銷釘孔坐標(biāo)尺寸進(jìn)行換算。從數(shù)理角度分析，已知兩點坐標(biāo)、兩點連線的理論角度及兩點與回轉(zhuǎn)中心的理論距離，可以求得理論回轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)位置。將角向銷1軸線坐標(biāo)設(shè)定為x1、y1，將角向銷2軸線坐標(biāo)設(shè)定為x2、y2，角向銷與零件理論回轉(zhuǎn)中心的距離為R，兩點連線理論夾角為A，建立理論回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)x、y的求解方程組如公式（1）所示。

對該二元二次方程組進(jìn)行求解，計算過程中各主要步驟如下。

兩角向銷軸線連線的斜率k=（y2-y1）/（x2-x1）；

第一，企業(yè)之間的相互依賴與信任是合作關(guān)系得以有效維持的關(guān)鍵，信任機(jī)制被更多的學(xué)者認(rèn)定為是最有效的機(jī)會主義防范機(jī)制。在制度規(guī)則約束的前提下，必須建立互信關(guān)系，提升信任水平可從加強(qiáng)自身管理、及時與合作方溝通交流、信守承諾、培養(yǎng)良好的聲譽(yù)等途經(jīng)實現(xiàn)。

理論回轉(zhuǎn)中心與兩角向銷軸線連線中點連線的斜率k'=-1/k=-（x2-x1）/（y2-y1）；

兩角向銷軸線連線的距離L=SQRT[（x2-x1）2+（y2-y1）2]；

理論回轉(zhuǎn)中心與兩角向銷軸線連線中點連線的距離L'=SQRT（R2-L2/4）= SQRT{R2-[（x2-x1）2+（y2-y1）2]2/4}。

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可求得公式（2）。

使用機(jī)內(nèi)檢測裝置將兩個銷釘孔軸線的坐標(biāo)實際值進(jìn)行CYCLE977自動測量，并將測量值記錄在系統(tǒng)變量R51～R54中，在數(shù)控程序中將理論回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)值計算公式進(jìn)行西門子數(shù)控程序轉(zhuǎn)化，賦值兩個銷釘孔軸線的坐標(biāo)值為x1=R51、y1=R52、x2=R53、y2=R54，程序自動計算得到零件理論回轉(zhuǎn)中心的實際坐標(biāo)值。

使用偏心銑加工方法，替代傳統(tǒng)的車加工圓[3]，圍繞理論回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行基準(zhǔn)圓的銑加工“G3X=x+RY=yI=x J=y”，實現(xiàn)基準(zhǔn)位置的數(shù)控自動化加工，實現(xiàn)“一面兩銷”基準(zhǔn)的數(shù)控轉(zhuǎn)化，成功解決設(shè)計基準(zhǔn)難以轉(zhuǎn)化的問題。

2.4 解決高精度尺寸加工問題

二支點內(nèi)圓相對零件三支點基準(zhǔn)圓跳動要求在自由狀態(tài)下0.02mm，其加工難點主要有三項：無法找正、加工精度高、加工后易變形。

2.4.1 找正方面

解決零件無法找正的問題須保證當(dāng)加工二支點時三支點跳動小于0.02mm，從加工角度考慮，須保證在加工基準(zhǔn)后、二支點前基準(zhǔn)跳動小于0.01mm，保證零件在該過程中不發(fā)生竄動。最終在制定工藝方案時，將二支點內(nèi)圓與三支點基準(zhǔn)安排在同一工序加工，令兩處直徑同軸一次加工即可解決零件無法找正的難題。

2.4.2 加工方面

主要考慮刀具、進(jìn)給量fn、切削深度ap、轉(zhuǎn)速n四個方面。刀具方面：零件二支點空間比較開放，普通刀具類型即可滿足加工要求，根據(jù)車削加工表面粗糙度公式Rmax=125*fn*fn/r（r為刀尖半徑），在粗糙度要求不變的前提下，刀尖半徑越大，進(jìn)給速度越有優(yōu)化空間，為給進(jìn)給量留出更大的優(yōu)化空間，選擇R0.8mm刀片進(jìn)行加工。進(jìn)給量方面：在刀具規(guī)格、表面粗糙度均確定的情況下，通過計算可知加工進(jìn)給量的最大值應(yīng)為fn=SQRT（1.6*0.8/125）=0.1mm/r。切削深度方面：安裝邊的加工屬于精加工，根據(jù)推薦切削參數(shù)，切削深度為0.3mm，零件余量為1.5mm，需要進(jìn)行5次～6次分層，每層加工后均對加工后表面進(jìn)行打表檢查，再根據(jù)實際情況調(diào)整加工方案。轉(zhuǎn)速方面：零件安裝邊直徑約φ430mm，使用刀片可接受的最大切削線速度為30m/min，對應(yīng)的加工轉(zhuǎn)速應(yīng)為n=30*1000/430/3.14=22.5r/min，當(dāng)精車加工時，加工線速度可達(dá)60m/min，對應(yīng)的加工轉(zhuǎn)速應(yīng)為n=45r/min。

2.4.3 減少變形方面

影響零件變形的主要因素之一是其內(nèi)部的加工應(yīng)力，主要包括加工前裝夾應(yīng)力及加工時切削應(yīng)力兩方面。加工前裝夾應(yīng)力主要是由于零件裝夾定位基面不平整，當(dāng)壓緊時基面間隙被壓實，帶動對應(yīng)位置產(chǎn)生形變，壓緊力撤銷后零件回彈。因此當(dāng)壓緊時應(yīng)使用百分表壓在壓板上側(cè)的端面處，保證壓緊過程零件端面不發(fā)生形變，如果壓緊位置存在間隙， 須在間隙處進(jìn)行等量調(diào)平，保證壓緊全過程百分表示數(shù)不變。

當(dāng)加工時，切削應(yīng)力可以通過調(diào)整加工順序及切削參數(shù)的方式進(jìn)行有效控制。內(nèi)環(huán)安裝邊位置的加工內(nèi)容主要包括安裝邊端面、內(nèi)圓止口、內(nèi)側(cè)U型槽三部分，零件該位置原定的加工順序為先加工端面、再加工內(nèi)圓止口、最后加工U型槽，該加工順序?qū)е虑邢鲬?yīng)力主要殘留在內(nèi)圓止口偏下方位置，該位置為剛性薄弱點且該止口尺寸單側(cè)公差僅為0.01mm，后續(xù)應(yīng)力的釋放極易導(dǎo)致止口的不規(guī)則形變，對該位置進(jìn)行局部物理形變仿真計算分析，結(jié)果如圖3所示，該位置在加工后的最大形變量約為0.035mm，超出公差值0.01mm，無法保證最終尺寸的合格。

圖3 物理形變仿真計算分析圖

通過評估切削應(yīng)力殘留位置，將加工順序調(diào)整為先加工端面及內(nèi)圓的部分余量、再將內(nèi)側(cè)U型槽加工至最終、最后車修端面及內(nèi)圓止口，該加工順序產(chǎn)生的切削應(yīng)力主要位于端面外側(cè)，后續(xù)應(yīng)力釋放對內(nèi)圓止口影響較小，形變量在0.01mm以內(nèi)，可保證尺寸精度，解決了該機(jī)匣精密止口尺寸公差難以保證的問題。

2.5 解決檢測方法不一致問題

零件內(nèi)環(huán)前端內(nèi)圓存在與后端基準(zhǔn)圓的同軸度要求且同軸度僅為?0.01mm，必須將內(nèi)環(huán)前端內(nèi)圓與后端基準(zhǔn)圓安排在同一工序進(jìn)行精加工，由于后端基準(zhǔn)圓被壓在裝夾基面下側(cè)，因此加工尺寸無法直接測量。

針對基準(zhǔn)圓尺寸無法檢測的問題，制作直桿型測具，將測具的百分表放置在直桿中心位置，在對表量塊上按理論尺寸核準(zhǔn)后，將直桿測具探入零件裝夾基面下側(cè)，測具兩端分別頂在基準(zhǔn)圓對點內(nèi)壁，觀察百分表示數(shù)，找到示數(shù)最大位置并讀取記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基準(zhǔn)圓尺寸的準(zhǔn)確測量。在零件最終檢驗工序前，再次將基準(zhǔn)圓與內(nèi)環(huán)前端內(nèi)圓提交三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行檢測，完成零件同軸度及精密尺寸的全過程數(shù)據(jù)跟蹤。

3 結(jié)論

該文中制定的方案實現(xiàn)了該高精度機(jī)匣零件的成功交付并順利通過首件鑒定，總結(jié)相關(guān)加工經(jīng)驗，在后續(xù)該系列機(jī)匣以及部分其他零件的加工中可持續(xù)應(yīng)用。統(tǒng)計該高精度機(jī)匣的加工周期（包括二次測量內(nèi)容），與該機(jī)匣系列零件的生產(chǎn)周期近似。

在研究過程中，為了解決零件找正難、加工難和測量難等問題，主要采用了以下5種技術(shù)方案：基于主軸定向技術(shù)實現(xiàn)了反锪孔的自動加工；提出了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換技術(shù)，使用數(shù)字化加工方案代替了傳統(tǒng)機(jī)械找正；設(shè)計出了分體式樣板，解決了拋修尺寸無法測量的問題；制定了該高精度機(jī)匣安裝邊0.02mm跳動的高精度加工方案；應(yīng)用了物理仿真應(yīng)力分析，科學(xué)地制定出正確的加工方案。