鈦合金薄壁鼓筒類零件加工變形控制

林紅軍+朱穎+閆龍

摘要：本文針對影響三級鼓筒薄壁鈦合金件精度的加工因素給予分析，三級鼓筒零件屬于飛機發(fā)動機關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)部件，零件的直徑較大，高度較高，壁厚較薄，零件整體剛性差，加工變形嚴(yán)重，零件多處直徑尺寸公差為7級精度，零件內(nèi)外圓表面相對于基準(zhǔn)圓周跳動大多要求為0.03mm，加工后難以保證尺寸精度及圓周跳動要求。主要從工裝的改進(jìn)優(yōu)化入手，對零件加工變形進(jìn)行控制，通過增加軟輔助支撐改進(jìn)工藝裝備，解決了工件尺寸大、精度要求高、壁厚薄變形控制難度大等技術(shù)難題，同時通過進(jìn)一步優(yōu)化了走刀路線，制定了具體加工方案及工裝完善，從最大限度上減少零件加工變形，提高加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：薄壁鈦合金件的加工 精度 切削狀態(tài)分析 軟輔助支撐 變形控制

1 問題的提出

1.1零件概況分析

三級整體鼓筒是法國SNECMA公司在我公司轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的第一個鼓筒類零件，它的毛料為整體精化原料，材質(zhì)相當(dāng)于國產(chǎn)材料TC4。鼓筒件是飛機發(fā)動機低壓部分的關(guān)鍵件，此鼓筒零件最大直徑為732mm，整體高度為331mm，壁厚最小處為2mm。我國傳統(tǒng)的鼓筒類零件加工方法是先加工各級單體盤，再通過焊接進(jìn)行組合。鈦合金薄壁整體鼓筒零件的加工是一項非常先進(jìn)的技術(shù)，此加工工藝制造技術(shù)的使用，無疑會給我國鈦合金薄壁鼓筒零件加工技術(shù)帶來革命性的提升，縮小與國外先進(jìn)技術(shù)間的差異。三級整體鼓筒零件是我公司近年來數(shù)控加工產(chǎn)品中難度較大的零件，零件的加工精度要求較高，常規(guī)的加工方法很難保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

1.2零件工藝難點

三級鼓筒零件屬于飛機發(fā)動機關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)部件，零件的直徑較大，高度較高，壁厚較薄，零件整體剛性差，加工變形嚴(yán)重，零件多處直徑尺寸公差為7級精度，零件內(nèi)外圓表面相對于基準(zhǔn)圓周跳動大多要求為0.03mm，加工后難以保證尺寸精度及圓周跳動要求。

2 問題的分析與解決

2.1 零件的受力分析

薄壁零件車削時受力變形是多方面的。裝夾工件時的夾緊力，切削工件時的切削力，工件阻礙刀具切削時產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形，使切削加工區(qū)溫度升高而產(chǎn)生熱變形。因零件壁薄，剛性差，強度弱，在零件的裝夾過程中，如果約束力過大，在夾加緊力的作用下，容易使零件產(chǎn)生變形，在此情況下加工零件待零件松開后，在加工應(yīng)力作用下，零件產(chǎn)生加工誤差；如果夾緊力不夠的話，在車削過程中零件可能因松動產(chǎn)生振動變形，刀具也易損壞，造成產(chǎn)品報廢。平時對于零件的加工夾緊力主要是不均衡，使零件產(chǎn)生變形，如果將零件上的每一點夾緊力保持均衡一致，理論上就不會使零件約束變形。換句話說，就是增大零件的約束接觸面，從而減小每一點的約束力，根據(jù)公式P=F/S，可以提出約束力接觸面越大，單位約束力越小，所以可以采用增大接觸面積來減小對工件的約束力，從而減少零件的約束變形，提高零件加工精度。夾緊力的大小，可以采取粗車時夾緊些，精車時夾松些來控制零件的變形。

基于以上分析加工鼓筒薄壁零件時，可采取增加工藝邊，工藝凸臺，提高零件剛性，在零件加工結(jié)束時，再進(jìn)行去除，也可以用于約束夾緊，以改進(jìn)夾具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計制造，合理選定約束方法來減少零件的裝夾和加工變形，進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 采用軟支撐防振動夾具防止零件加工過程的變形

傳統(tǒng)解決零件震動往往使用硬支撐方式進(jìn)行輔助剛性加強，但這種方式在過定位表面自由度限制過程中，操作繁瑣且難以有效控制零件裝夾變形。為達(dá)到防止大型薄壁件加工變形且降低零件震動的目的，加工中采用了軟支撐防振工裝。（見示意圖）該新式防振工裝的優(yōu)點是：輔助支撐機構(gòu)柔性高、吸震能力強、承力均勻、可通過控制壓緊力來控制過程產(chǎn)生的變形，防震性能突出。在加工外型面時，對薄壁、剛性較差的零件使用內(nèi)部輔助支撐工裝，而在加工內(nèi)腔型面時，在整個零件的外型面上按各型面的具體型狀安裝輔助支撐夾具，提高整個零件在加工時的抗振能力。由于使用過程中，不會由于輔助減震部位的過渡壓緊來產(chǎn)生裝夾變形，因此可以達(dá)到其使用目的。

2.3 零件裝夾注意事項

由于零件毛料去除的余量超過零件自身，如果在每個工序裝夾過程中零件存在明顯的裝夾變形，那么引入的零件彈性形變將在零件加工完后重新釋放，加上零件表面應(yīng)力重新平衡造成的形變，零件的加工結(jié)果將是難以滿足要求的。解決方法在于消除定位面懸空，做到壓緊位置和支撐位置對稱，保持零件在無裝夾變形情況下的穩(wěn)固壓緊，并且分步加工，去除大余量過程中使用足夠的夾持力，而在最終形成尺寸過程中調(diào)整夾持力，在保證穩(wěn)定裝夾狀態(tài)下使用最小的裝夾力來減小裝夾造成的零件形變。裝夾過程中要注意對壓緊位置對應(yīng)的遠(yuǎn)端部位用百分表或杠桿表測量壓緊力造成的零件形變，在零件產(chǎn)生裝夾變形量允許情況下，適當(dāng)控制壓緊力就可以獲得直觀準(zhǔn)確的零件彈性變形估計值，這給后續(xù)的加工帶來的較大的好處。

對在進(jìn)行較大尺寸零件的加工過程中由于加工震動等問題的出現(xiàn)也需要對零件較為薄弱的部位進(jìn)行輔助支撐，使用大面積的軟支撐可以在減小零件震動趨勢的同時盡可能小的施加支撐力，使支撐力均勻，加工過程中也能利用零件自身局部剛性來克服由于加工力引起的變形。

另外一種輔助支撐是在零件的相應(yīng)部位使用一種先夾緊后定位的輔助支撐機構(gòu)，該機構(gòu)在夾緊過程中并不直接限制所有自由度而在完成對零件的夾緊后在按照已經(jīng)形成的裝夾狀態(tài)將輔助支撐機構(gòu)鎖緊，這種輔助支撐機構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要考慮到零件存在的微觀結(jié)構(gòu)不均勻性，每個零件的作用僅僅限制零件的少數(shù)獨立的自由度。

3、 工裝優(yōu)化的意義

對于零件剛性差，加工中容易震刀，影響零件加工精度及表面質(zhì)量的問題，在零件的裝夾上進(jìn)行創(chuàng)新，改變傳統(tǒng)的剛性夾具結(jié)構(gòu)，設(shè)計了快換、組合、柔性支撐夾具，改進(jìn)傳統(tǒng)加工工藝，采用軟連接、組合式、快換柔性防震夾具，通過輔助彈性支撐提高零件剛性，夾具分為內(nèi)外兩套，在加工外型面時，換上內(nèi)部輔助支撐工裝，通過調(diào)整支撐位置，預(yù)制夾緊力，使軟支撐與零件內(nèi)表面完全貼合，有不能使零件產(chǎn)生變形，增加了零件的剛性，同時又能夠?qū)⑶邢鲿r產(chǎn)生的震動進(jìn)行吸收，保證加工時的切削力量均勻、穩(wěn)定；加工內(nèi)腔型面時，依據(jù)零件外型面實際形狀，安裝多級輔助支撐模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)快速裝卸，工作時預(yù)設(shè)夾緊力，保持各截面受力均勻、一致，提高零件強度及加工時的抗振能力與穩(wěn)定性，零件加工表面質(zhì)量得到了提升，提高零件加工精度與表面完整性。

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