薄壁環(huán)形火焰筒加工工藝研究

劉 鵬 孫玉民 馮守勝 燕 凱 李 健 劉琳琳

（1.駐沈陽黎明發(fā)動(dòng)機(jī)公司軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)性能的不斷提高，機(jī)匣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越來越趨于復(fù)雜，加上難加工材料的使用，這給機(jī)匣在加工中如何安排工藝路線、如何控制切削變形，帶來了極大的難度，特別是壁厚極薄的較為復(fù)雜型面的機(jī)匣加工，其變形量的控制和如何避免數(shù)控加工深槽過程中的“打刀”現(xiàn)象更是該類零件制造技術(shù)提升的關(guān)鍵。

2 研究目標(biāo)

通過該課題的研究，掌握薄壁環(huán)形火焰筒的加工方法，為整體環(huán)形火焰筒制造技術(shù)的提升打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 設(shè)計(jì)要求

2.1.1 零件結(jié)構(gòu)

該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜（見圖1），是由6段型面呈錐度組成的環(huán)形件，小端直徑φ338.7，大端直徑φ427.4，高度154.9，沿型面壁厚1.2±0.05，且6段型面帶有寬2.1深7的環(huán)槽，在6段環(huán)槽底部分布2000余個(gè)φ1.0～φ1.6、位置度φ0.3、角度不同的小孔，零件材料為GH3536，鑒于零件結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，為加工增加了相當(dāng)大的難度。（見圖1）

2.1.2 零件材料性能分析

根據(jù)火焰筒內(nèi)外環(huán)在工作中的使用要求，設(shè)計(jì)選材為GH3536，此材料屬于變形高溫合金類，主要用鉻和鉬固溶強(qiáng)化的一種含鐵量較高的鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強(qiáng)度，冷、熱加工成形性和焊接性能良好。在900℃以下長期使用，短時(shí)工作溫度可達(dá)1080℃。其材料的化學(xué)成份見表1。

3 工藝

3.2 工藝分析

3.2.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及毛料選擇

從零件的結(jié)構(gòu)上看，零件為錐形結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜型面的薄壁件，最小壁厚僅為1.2±0.05mm，零件上有6處錐段和2處深環(huán)槽，且每段與軸線夾角不一樣；在零件6段外壁槽底上分布2000余個(gè)徑向小孔。零件的毛料為Ⅱ類軋環(huán)件，熱處理狀態(tài)為固溶， 毛料外徑：Ф438±1mm，來料重量36.18Kg（ρ=8.28g/cm3），零件加工后凈重6.7 Kg，毛料的利用率僅占18.5%左右。

3.2.2 工藝路線分析

從零件設(shè)計(jì)圖樣分析，該件加工涉及到數(shù)控車、數(shù)控鉆、數(shù)控鏜、數(shù)控銑、熒光、電火花打孔等工序，工藝路線相似于機(jī)匣件。由于毛料去除量大，加工過程中產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，因此零件應(yīng)該先進(jìn)行粗車與粗銑凸臺（外環(huán)），粗加工去除大部分余量后安排穩(wěn)定處理消除應(yīng)力工序，熱處理后及半精車前安排了修復(fù)基準(zhǔn)面工序，以減少機(jī)匣變形。零件徑向有32處φ12后發(fā)蘭通氣孔、64處φ10.1主燃孔；其次大端有2處深槽：一處槽深14寬9角度15 、另一處槽深31寬4角度15，且6段型面帶有寬2.1深7的環(huán)槽，如機(jī)械加工這些孔和槽，零件壁薄受力大會(huì)導(dǎo)致變形嚴(yán)重，安排了粗打孔，再由加工中心精鏜孔，對氣膜孔采用了電火花加工。

3.2.3 數(shù)控精車分析

車型面是此件研制加工的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)；由于車削型面錐度不同、敞開性差，加工過程中零件實(shí)時(shí)變形，讓刀現(xiàn)象非常嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致同一部位出現(xiàn)錐度加工表面、沿型面壁厚尺寸不均。零件在粗加工后根據(jù)零件尺寸規(guī)格需求，該件適合在數(shù)控立車上完成細(xì)車與精車工序的型面加工。

由圖形可以看出，精車工序的數(shù)控加工主要難點(diǎn)有：①零件尺寸精、薄壁（沿型面1.2±0.05mm）、易變形，選擇合適的走刀軌跡；②大端槽比較深、6段環(huán)槽（深7寬2.1），加工過程中易打刀，選擇合適的加工方法和切削參數(shù)，非常必要；③由于零件為環(huán)形、薄壁類零件，型面復(fù)雜，在加工過程中，如果刀具結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)或刀具的裝夾位置選擇不當(dāng)，刀具易與零件發(fā)生干涉，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對刀具和刀具的裝夾位置進(jìn)行調(diào)整。

圖1

3.2.4 數(shù)控精車加工

根據(jù)上述的零件加工難點(diǎn)和現(xiàn)場加工的情況，對此次加工的具體情況如下：

3.2.4.1 總方案

在加工端面時(shí)應(yīng)將端面留0.5mm的余量；扎槽時(shí)零件變形大，應(yīng)先粗扎槽；再采用內(nèi)外循環(huán)均勻去除機(jī)匣內(nèi)外表面的余量；最后再對端面進(jìn)行車加工；由于零件下部（小端）剛性較好，因此整個(gè)切削過程均為由上端至下端。加工難點(diǎn)主要通過以下措施進(jìn)行解決：①分階段加工；②合理地安排熱處理工序；③控制走刀路線；④控制切削參數(shù)；⑤增加系統(tǒng)剛性。

3.2.4.2 精車型面

走刀路線見圖3：

表1 GH3536化學(xué)成份

圖2 精車大端型面

圖3 工序走刀路線

步驟1，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步①平端面，去除部分余量，留0.5余量，為后面零件變形修復(fù)端面用；步驟2，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步②、③車外型面大端第1、2、3、4段，徑向方向上單邊留0.3余量。說明：為防零件振動(dòng)，制做了8個(gè)角度與零件吻合的木塊，用壓板壓在木塊上，起到支撐內(nèi)壁作用，在加工外壁時(shí)零件振動(dòng)通過木塊而消除。步驟3，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步④車大端內(nèi)徑，徑向方向上單邊留0.3余量。步驟4，采用刀具：通用2.7寬機(jī)夾切刀。加工目的：按工步⑤粗扎槽，徑向方向上單邊留0.3余量。說明：槽位于上部，粗扎槽去余量大，零件振動(dòng)造成尺寸超差及表面波紋，因此在大端第1、2段外壁纏上膠皮起到減震和約束作用。步驟5，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步⑥、⑦、⑧車內(nèi)型面，徑向方向上單邊留0.3余量。說明：仍然在大端第1、2段外壁纏上膠皮。步驟6，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步①車去端面余量0.3，車去端面變形，留0.2余量。步驟7，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步②、③精車外型面大端第1、2、3、4段，將0.3余量分配為0.2、0.1兩次走刀，保證最終尺寸。說明：仍然采用8個(gè)木塊做內(nèi)支撐，每段車完0.2余量時(shí)更換新刀片，車掉剩余的0.1余量，避免振紋，保證壁厚尺寸均勻。步驟8，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀、篦齒刀。加工目的：按工步④、⑤精車內(nèi)徑及槽，車去徑向方向上的單邊0.3余量，深槽反復(fù)上刀，修正振動(dòng)產(chǎn)生的波紋。說明：仍然采用8個(gè)木塊做內(nèi)支撐，在大端第1、2段外壁纏上膠皮。步驟9，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步⑥、⑦、⑧精車內(nèi)型面，尺寸加工到位，保證壁厚尺寸1.2±0.05。步驟10，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步⑨精車大端第5段外型面，尺寸加工到位，保證壁厚尺寸1.2±0.05。說明：由圖樣看出，車大端第5段外型面時(shí)需要倒壓板，將壓板壓在內(nèi)圓端面上，仍然采用8個(gè)木塊做內(nèi)支撐。步驟11，采用刀具：通用R0.8機(jī)夾偏刀。加工目的：按工步①將端面尺寸加工到位，車去剩余0.2余量，保證平面度。步驟12，采用刀具：專用機(jī)夾刀具。環(huán)槽的寬度小，深度深，比較難加工，在加工環(huán)槽時(shí)，零件內(nèi)表面先留0.4mm的余量，使用外購帶角度的機(jī)夾刀加工完槽后，再去內(nèi)表面余量，保證零件尺寸符合設(shè)計(jì)圖要求。

4 總結(jié)

通過對此課題的研究，對大型薄壁件的工藝加工有了更系統(tǒng)化的分析，從工藝路線的安排、余量的分布、以及UG軟件編制循環(huán)程序的應(yīng)用，同時(shí)掌握了此類零件的數(shù)控加工方法和該類材料數(shù)控切削參數(shù)的選擇，此次研制加工的成功，也總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：

加工薄壁件時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）刀具、參數(shù)及走刀路線：1）選擇小刀尖半徑刀片（一般R在0.2～0.4），以避免引起變形，但要保證刀具壽命，刀尖半徑不能太??；2）減少主切削角：粗加工時(shí)為6°～8°，精加工時(shí)為10°～12°，讓零件強(qiáng)度高的部分或夾具承受載荷；3）減少切深：該材料型面車加工選擇切深在0.1～0.5 mm范圍；4）不要讓刀具過多地滯留在加工表面上；5）降低切速：該材料型面加工8～35r/min；6）許多機(jī)匣壁很薄，薄壁件的變形是一個(gè)很重要的問題，由于過大的切削壓力和剪切應(yīng)力，產(chǎn)生的部分熱量會(huì)引起零件變形，在壁非常薄的部分熱量會(huì)穿透到截面所有部分，引起金相顯微組織損傷，此時(shí)為降低切速，限制熱量集中，可以使用硬度合金刀具；7）在某種情況下，切削方向非常重要，例如：一些薄壁件在加工中出現(xiàn)的振顫.變形問題，可由根部向外車削改為由外向根部切削加以解決，用該方法可將切削力集中于裝夾上；

（2）工藝路線：1）分階段加工。零件分為粗車-細(xì)車-精車，每個(gè)階段均勻去余量，減小零件應(yīng)力分布的不均勻程度；2）合理地安排熱處理工序。在零件的毛料狀態(tài)和粗加工后進(jìn)行熱處理工序，消除機(jī)加過程中產(chǎn)生的應(yīng)力；3）控制走刀路線。關(guān)鍵工序——細(xì)車、精車中，規(guī)定刀具走刀路線，減少和調(diào)整切削力，控制加工變形；4）控制切削參數(shù)。為減少零件變形，在加工過程中嚴(yán)格地控制切削參數(shù)；5）增加系統(tǒng)剛性。①關(guān)鍵工序組合帶輔助支承的夾具，增加零件的剛性，減小變形；②選擇適合高溫合金槽形加工的機(jī)夾刀具，減少切削力，保證環(huán)形槽的加工精度。

[1]王愛玲，等.機(jī)匣制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[2]中國航空材料手冊[M].編委會(huì)編寫中國航空材料手冊（第4卷）.