淺談某高溫合金多層薄壁零件加工

摘要：薄壁零件加工一直是機(jī)加工中最棘手的難題，對(duì)于其中材料為高溫合金的多層薄壁結(jié)構(gòu)零件加工，更是如此。本文就某高溫合金多層薄壁零件剛性差、難裝夾、易變形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其加工的難點(diǎn)及加工方法進(jìn)行了深入分析探討，并通過(guò)合理安排工藝流程、采用合適裝夾方式及切削參數(shù)，滿足了產(chǎn)品圖樣的設(shè)計(jì)要求。

主題詞：薄壁零件；裝夾變形；專用刀具；工藝基準(zhǔn)

1 引 言

航空工業(yè)中廣泛使用薄壁結(jié)構(gòu)件，薄壁結(jié)構(gòu)件一般由若干側(cè)壁和腹板組成，形狀復(fù)雜，相對(duì)剛度低，加工余量大，加工工藝性差。加工受切削力、切削熱、切削顫振等因素影響，零件極易產(chǎn)生加工變形，從而導(dǎo)致加工精度難以保證。由于上述影響因素導(dǎo)致的變形是無(wú)法避免和消除，只能通過(guò)采取各種手段去減小變形，從而滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。本文就以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金多層薄壁結(jié)構(gòu)零件的關(guān)鍵尺寸加工為例，來(lái)探索尺寸精度高、形位公差嚴(yán)的多層次薄壁零件的加工方法，從而為今后類似零件加工提供借鑒。

2 零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該零件三維模型如圖1、二維裝夾如圖2所示。它屬于薄壁零件，徑向方向是由三層2mm～2.5mm壁薄組成，三層薄壁靠端面是2.5mm薄腹板進(jìn)行連接，最外圈薄壁上均布24×φ39mm孔， 中間一圈圓周上均布16×φ8.5徑向孔，零件所有端面上均分布著許多孔。

3 難點(diǎn)分析

從圖1看出，該零件屬于多層薄壁零件，結(jié)構(gòu)工藝性差，其加工難點(diǎn)如下：

a）零件屬于典型壁薄零件，且在薄壁上還均勻分布著許多孔，導(dǎo)致零件剛性極差，易變形，因此，無(wú)論是車削加工還是銑削加工都極易產(chǎn)生變形；

b）零件難裝夾；

c）零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，形位公差為0.03mm～0.05mm，對(duì)機(jī)加工難度非常大；

d）內(nèi)壁環(huán)槽具有一定封閉性， 難加工，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)非標(biāo)刀具方可實(shí)現(xiàn)。

此外，由于該零件材料為GH4169，屬于典型難加工高溫合金材料，切削加工性能差。

4 解決方法

4.1 選擇合理的工藝流程

該零件原材料為鍛件，加工中要去除大部分材料，切削熱使得零件產(chǎn)生切削應(yīng)力，因此，工藝流程必須分粗精加工，并且在粗加工之后安排一道熱處理工序去除應(yīng)力，減少變形。該零件具體工藝流程安排如下：粗車（普車）—熱處理—半精車（普車）—粗銑—熱處理（時(shí)效去應(yīng)力）—精車（數(shù)車）—精銑（數(shù)銑）。

4.2 選擇合理的裝夾方式

對(duì)于薄壁零件的加工，要減少零件變形，除了合理安排工藝流程之外，加工過(guò)程中選擇合理的裝夾方式特別重要。由于零件壁薄，采用三爪或四爪裝夾零件，零件徑向受力，極易產(chǎn)生變形，該裝夾方式不宜采用。因此，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)增設(shè)工藝塊，裝夾方式如圖2所示。車削加工下端面及型面時(shí)，借用上端最外臺(tái)階外圓，利用壓板裝夾零件，翻身車上端面及型面時(shí)，可以借助工藝塊裝夾零件，有效避免裝夾導(dǎo)致的變形。

4.3基準(zhǔn)面要確保正確加工

從零件整個(gè)工藝流程來(lái)看，要保證尺寸精度和形位公差，最后精車工序基準(zhǔn)面的正確加工是關(guān)鍵。零件經(jīng)半精加工以及最后一道熱處理后，平面度達(dá)到0.8mm，這時(shí)，如果直接采用壓板強(qiáng)行裝夾零件加工工藝基準(zhǔn)面，裝夾狀態(tài)，平面可達(dá)0.03mm。但是，一旦取下零件，零件會(huì)回彈。因此，精車前，需采用支撐內(nèi)孔方式加工基準(zhǔn)面，支撐內(nèi)孔力不能過(guò)大，加工時(shí)吃刀量也不能過(guò)大，轉(zhuǎn)速不能過(guò)高，否則就不能保證零件自由狀態(tài)下，平面度達(dá)到0.03mm要求，也就無(wú)法保證零件各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。為保證加工基準(zhǔn)面0.03mm平面度，具體加工參數(shù)為吃刀量0.1mm，轉(zhuǎn)速為每分鐘10轉(zhuǎn)。

4.4 刀具和切削參數(shù)的合理選擇

根據(jù)零件材料的加工特性，通過(guò)試驗(yàn)，粗車采用YG6A、精車采用H2刀具材料加工性能最好。加工時(shí)，切削參數(shù)選擇合理，同樣能有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量。針對(duì)該零件，粗車時(shí)，切削速度為（30～40）M/min，進(jìn)給速度為（0.2～0.30）mm，吃刀量2mm；精車余量（0.8～1）mm，切削速度為（25～30）r/min，進(jìn)給速度（0.1～0.15）mm，吃刀量0.2mm，為保證零件表面質(zhì)量，選擇刀具鋒利，精車具前角12°～15°，后角2°～3°。此外，由于零件局部地方具有一定封閉性，設(shè)計(jì)非標(biāo)刀具對(duì)封閉的局部地方進(jìn)行加工。

4.5 對(duì)工件選擇合適的冷卻方式

在加工過(guò)程中，由于刀具與工件和切屑瘤間的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱，一方面，切削熱傳到刀具上會(huì)使刀具的硬度降低，加速刀具的磨損，降低工件的表面質(zhì)量；另一方面，切削熱而傳到工件上使工件產(chǎn)生熱變形，對(duì)加工薄壁零件十分不利。因此，粗車需采用高壓氣對(duì)刀具進(jìn)行冷卻；精車采用乳化液對(duì)刀具及工件進(jìn)行冷卻。通過(guò)采取上述冷卻方式，降低了刀具的磨損和工件的變形，保證了工件的表面質(zhì)量、尺寸和幾何精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)薄壁零件材料加工特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出對(duì)工件采取合理的工藝流程、裝夾方式、冷卻方式及加工刀具等應(yīng)對(duì)措施，圓滿地解決了薄壁零件加工變形、形位公差及表面質(zhì)量等無(wú)法保證的加工難題。

參考文獻(xiàn)：

[1]《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》孟少農(nóng) 主編，1998年3月出版，機(jī)械工業(yè)出版社

[2]《夾具工程師手冊(cè)》 劉文劍，曹天河，趙維緩編，1987年，黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社

作者簡(jiǎn)介：王德仙（1973-），女，民族：漢，籍貫：貴州省遵義市，當(dāng)前職務(wù)：工藝師，當(dāng)前職稱：中級(jí)工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：機(jī)械加工。