減小高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件加工變形的工裝方案

黃強

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司 陜西西安 710021

1 序言

2 零件材料及結構特點

（1）材料分析 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件外部封嚴環(huán)材料為RRMS33031/1鎳基高溫合金，封嚴環(huán)毛坯為鍛環(huán)件，材料為Ni-20Cr-20Co-5.9Mo-2.1Ti，內(nèi)孔蜂窩環(huán)為MSRR7158 QPW鎳基高溫合金壓制的六方柵格，蜂窩規(guī)格為1.59mm×0.076mm。

RRMS33031/1鎳基高溫合金經(jīng)固溶沉淀處理（1 150℃，1.5～2.5h），并在800℃條件下保溫8h，材料硬度≥235HBW。RRMS33031/1鎳基高溫耐熱合金是一種高強度、高硬度鎳基合金，其在高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定。這種高溫合金材料黏性大，切削過程中不易斷屑，材料的導熱性差。刀具在切削這種材料時，刀尖切削部位產(chǎn)生大量的切削熱，切削材料受擠壓產(chǎn)生變形，在切削區(qū)域產(chǎn)生較大的切削抗力，切削過程中如果不及時散熱，會加速刀具的磨損，使零件產(chǎn)生更嚴重的變形。為此，加工過程中必須分析并利用零件結構，合理選擇定位裝夾方式及切削刀具，控制封嚴組件加工變形。

（2）零件結構分析 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件為旋轉(zhuǎn)件結構，封嚴環(huán)最大外徑尺寸450.7mm，總高度約40mm，零件壁厚2.03mm（見圖1）。零件內(nèi)孔為真空釬焊的蜂窩密封環(huán)，蜂窩密封環(huán)為三層臺階狀，內(nèi)孔蜂窩最小直徑325.8mm，自由狀態(tài)下蜂窩直徑對基準A和基準B的跳動為0.10mm。零件大端面支撐面懸伸約30mm，大端面槽寬約17mm，端面槽深約30mm，零件所有尺寸及幾何公差等特性均要求在自由態(tài)下測量。

圖1 封嚴組件結構

（3）零件特征說明 精度高：所有特性要求自由狀態(tài)下測量，不允許限位約束，蜂窩跳動0.1mm，所有直徑對基準跳動0.127mm；剛性差：壁厚尺寸2.03mm，大端面懸伸長、端面槽較深及零件剛性差；工藝性差：零件定位裝夾可靠性差，外圓槽與大端面精加工時剛性差，端面槽空間小，槽刀加工讓刀嚴重，精加工沒有可靠的定位、裝夾基準，零件在裝夾及加工時變形較大。

3 產(chǎn)生變形的原因

高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件屬于旋轉(zhuǎn)件，其加工變形產(chǎn)生的原因很多，與零件的材料、零件的幾何結構、零件加工工藝及加工工序的定位裝夾方式、切削刀具和程序設計等因素都有關系。具體來說，工件材料的硬度越高，材料黏性越大，其可加工性能就越差。

（1）定位裝夾影響 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件在裝夾時，若封嚴組件的定位基準與壓緊面選擇不合理，夾具壓緊力與工件支承力相互作用，在工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，零件加工后，在自由狀態(tài)下會引起應力變形。工件定位前，需對工件的定位結構及定位尺寸進行分析，選擇穩(wěn)定可靠的定位基準。工件定位后，一般使用定位夾具及壓緊蓋板等方法，將零件壓緊在夾具上，壓緊力大小必須適當，對于剛性較好，切削去除量大的零件，可使用較大壓緊力；對于剛性較差的薄壁件，一般采用較小壓緊力，必要時可使用扭矩扳手，確保壓緊力穩(wěn)定。在使用夾具定位裝夾零件時，夾具及夾緊力應符合以下要求：①夾具的定位面與封嚴組件的定位面配合較好，夾具蓋板的壓緊力與工件的反作用力相互平衡。②控制夾緊力引起的工件變形，壓緊封嚴組件等剛性較差的工件時，應控制夾緊力的大小。當工件壓緊面較大時，應盡量采用分散壓緊的方式，通過增加壓緊壓板的數(shù)量，分散夾緊點等方法，避免壓力集中導致零件變形。③夾具的夾緊點應盡量靠近工件被加工表面，減少切削時工件振動。

（2）切削影響 在使用專用工裝對封嚴組件進行定位裝夾后，還應考慮切削過程對零件變形的影響。零件在加工過程中，切削刀片與工件表面摩擦做功，摩擦使工件產(chǎn)生彈性變形和塑性變形。鎳基高溫合金RRMS33031/1導熱系數(shù)小，切削工件產(chǎn)生的大量切削熱，造成被加工工件各區(qū)域溫度不均，導致零件出現(xiàn)不規(guī)則變形；刀具在切削工件時，封嚴組件表面受到切削力影響，在切削區(qū)域引起塑性變形。切削工件表面溫度明顯高于工件內(nèi)部溫度，工件內(nèi)外出現(xiàn)明顯溫度差。工件表面溫度較高，高溫合金體積快速膨脹，工件內(nèi)部溫度變化不大，金屬體積變化不明顯。高溫使工件表面產(chǎn)生明顯熱應力，當工件表面的熱應力超過合金材料的屈服極限時，封嚴組件產(chǎn)生塑性變形；工件內(nèi)部金屬組織受工件表面組織的徑向拉應力作用。

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封嚴組件精加工時，由于壁厚較薄，若不使用輔助支撐夾具，拉應力與壓應力很難維持平衡，工件產(chǎn)生徑向變形，零件加工后圓度較差。切削后，工件表面溫度逐漸降低，切削表面體積收縮，內(nèi)部金屬體積變化不大，工件表面合金組織因受到工件內(nèi)部合金組織的限制而產(chǎn)生拉應力，金屬內(nèi)部則產(chǎn)生壓應力，進一步加劇工件沿徑向變形。

加工高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件時，不同走刀方式對工件車加工精度的影響也不相同，例如加工機床的精度、設備功率、刀座系統(tǒng)的穩(wěn)定性、夾具的剛性、加工現(xiàn)場的濕度及溫度，機床及刀具的冷卻系統(tǒng)等均會對零件的變形產(chǎn)生影響。

（3）測量誤差 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件使用車床夾具定位裝夾零件，加工后對封嚴組件的主要測量尺寸包括大端面壁厚尺寸（2.03±0.15）mm，外封嚴槽厚度（2.03±0.15）mm，定位基準A到端面槽槽底尺寸（2.3±0.2）mm，蜂窩定位面到端面槽靠近內(nèi)孔端尺寸（2.3±0.2）mm，封嚴環(huán)外圓直徑（450.7±0.3）mm，如圖2所示。

圖2 封嚴組件尺寸及變形示意

測量封嚴環(huán)尺寸時，壁厚尺寸使用壁厚卡鉗測量，外圓直徑使用卡尺測量。由于封嚴環(huán)大端端面剛性較差，切削時大端面整體向小端定位基準A塌陷變形（見圖2），壁厚尺寸（2.03±0.15）mm較為穩(wěn)定，且大端面變形對直徑尺寸（450.7±0.3）mm影響較小，所以僅靠測量這些尺寸無法真實反映工件的變形情況，工件尺寸的合格率與工件變形大小無明顯對應關系，這種測量方法對工件的變形控制誤差較大。

（4）殘余應力 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件加工時產(chǎn)生的殘余應力使組件內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定的應力集中，封嚴組件受施加外力作用、環(huán)境溫度變化等其他因素影響較大。施加外力與組件內(nèi)部殘余應力相互作用，使封嚴組件局部產(chǎn)生塑性變形，外力作用使工件受力截面內(nèi)的殘余應力發(fā)生變化，在取消外力作用時，封嚴組件整體產(chǎn)生變形。封嚴組件在安裝使用時，內(nèi)部殘余應力釋放松弛，殘余應力對封嚴組件尺寸精度及使用穩(wěn)定性有很大影響。

4 工裝方案的制定

控制高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件加工過程中產(chǎn)生的變形，應重點控制精車加工的工裝方案。外部封嚴環(huán)在粗加工時，毛坯余量較大，工件整體剛性較好，蜂窩釬焊及焊后熱處理不易變形。精車加工時，由于零件剩余余量較少，大端面壁厚較薄，所以為較好的控制零件變形，應從封嚴組件定位裝夾、切削工藝、測量方法及殘余應力消除等方面分析，尋找控制工件變形的方法。

（1）夾具方案 封嚴組件加工變形的原因之一是定位裝夾方式，當采用軟三爪定位裝夾時（見圖3a），使用小端面A作為軸向定位基準，外圓φ436.92mm作為徑向定位，軟三爪夾緊力作用在外圓φ436.92mm上，封嚴組件受徑向壓力產(chǎn)生塑性變形，由于三爪的夾持特點，零件產(chǎn)生明顯的三點變形。且由于零件自身剛性較差，加工大端面及端面槽時振刀明顯，加工后工件表面粗糙度不能滿足圖樣要求。

加工封嚴組件時，為避免出現(xiàn)軟三爪定位裝夾引起的三點變形問題，設計車床夾具時應注意避免直接對工件外圓夾緊，應合理利用工件自身結構，采用穩(wěn)定可靠的定位基準，必要時可采用輔助工裝定位。設計夾具前，應對工件的結構進行分析，選擇剛性相對較好的面作為定位基準，封嚴組件使用端面A作為軸向定位，在靠近內(nèi)孔的小端面設置支撐螺釘作為輔助定位，兩處小端面在同一平面上，小端面和大端面的平面度較好。封嚴組件的小端面距離基準端面A的尺寸控制在5+0.01+0mm內(nèi)，車床夾具的定位尺寸為5-0-0.005mm。零件在夾具上定位安裝時，通過調(diào)整輔助支撐的螺釘高度，使支撐釘與小端面接觸，大端面在夾緊力作用下與夾具端面貼合。封嚴組件與車床夾具的尺寸、位置定位精度均較高，加強了工藝系統(tǒng)剛性，增加了定位的穩(wěn)定性。壓緊力使用軸向壓緊的方式，避免工件受徑向壓緊力產(chǎn)生變形，在封嚴組件大端面后端設置輔助支撐，減少工件在精車端面時受切削力作用產(chǎn)生的變形，在外圓槽的槽底設置輔助支撐，控制工件在車加工端面槽時，封嚴環(huán)外圓槽因剛性不足而產(chǎn)生的變形（見圖3b）。

為解決高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件車加工時的變形問題，設計了一種用于封嚴組件組合定位支撐車床夾具（見圖4）。通過現(xiàn)場試切加工，這種夾具能有效地提高零件與夾具的配合精度，車床夾具對零件薄壁及剛性較差的部分形成輔助支撐，避免或減少封嚴組件因剛性差而在車加工時產(chǎn)生變形，保證了產(chǎn)品的尺寸公差及加工精度。

圖3 封嚴組件定位裝夾比較

與常規(guī)定位夾具相比，使用封嚴組件組合定位支撐車床夾具定位裝夾的優(yōu)點如下：封嚴組件組合定位支撐車床夾具通過設置壓板，將零件牢固壓緊在夾具底座上端環(huán)形槽內(nèi)，使零件端面A與夾具底座緊密貼合，以此消除或減弱零件大端面與夾具定位面產(chǎn)生的定位間隙，通過調(diào)整輔助支撐螺釘，使支撐螺釘與零件小端面貼合，從而提高定位夾具與零件的軸向配合精度，控制零件端面在加工時產(chǎn)生的變形（見圖4中A—A視圖）。

圖4 封嚴組件組合定位支撐車床夾具結構1—夾具底座 2—支座 3—壓板 4—臺階型支板5—輔助支撐 6—封嚴組件

通過設置臺階型支板，對封嚴組件大端腹板形成輔助支撐（圖4中B—B視圖）。調(diào)整支板的支撐位置時，可通過銷上下滑動支板，調(diào)整好支撐位置后，壓緊螺母，支板順著銷轉(zhuǎn)動，并撐緊零件大端腹板，從而提高零件大端腹板的剛性，減少封嚴組件腹板在加工時受力擠壓產(chǎn)生變形。

通過設置支座，對封嚴組件外圓槽的底部形成輔助支撐（見圖4中C—C視圖）。支座可沿著導向凹槽來回滑動，調(diào)整支座的支撐位置，使支座下端與零件外圓槽底貼合，調(diào)整好支撐位置后，壓緊螺釘，從而提高封嚴組件外圓槽底部的剛性，控制并減少封嚴組件在加工端面槽時受力擠壓產(chǎn)生變形。

（2）切削方案 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件外部封嚴環(huán)材料為鎳基高溫合金RRMS33031/1，其導熱性能差，切削系數(shù)小。選擇適合切削高溫合金RRMS33031/1的刀具對控制車加工零件變形非常重要，分析材料的切削特點，所選擇的切削刀具應滿足以下條件：刀片刃口鋒利、刀片圖層導熱性好及刀片本體強度高、韌性好且抗振性能好等。

從對高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件的分析可以看出，在加工封嚴環(huán)大端端面時，由于端面沿徑向落差較大，若使用恒轉(zhuǎn)速切削，封嚴環(huán)在切削時，大端面靠近外圓處的切削線速度與靠近內(nèi)孔處的切削線速度差別較大，所以加工后大端徑向圓跳動較大，且變形無明顯規(guī)律。使用ISCAR刀片VCMT160408材質(zhì)IC907和刀片VCMT160408 IC806分別進行試切試驗，切削10min后，對比刀片磨損情況及加工后大端面的變形量。由表1切削參數(shù)對比可以看出，使用刀片VCMT160408 IC806試切，切削速度v＝70m/min，背吃刀量ap＝0.5mm，進給量f＝0.15mm/r，刀片磨損較小，加工效率較高，大端面變形量滿足圖樣尺寸要求。

在加工封嚴環(huán)端面槽時，端面槽深度30mm，使用專用槽刀桿GHFGR32-5-04139進行加工，選用ISCAR刀片GIPY5.00-2.50 IC907、 GIPY5.00-2.50 IC20和GIPY5.00-2.50 IC806三種刀片進行試切。切削10min后，對比刀片磨損情況及加工后端面槽靠近外圓處直徑的變形量。由表2切削參數(shù)對比可以看出，使用刀片GIPY5.00-2.50 IC806試切，切削速度v＝70m/min，背吃刀量ap＝0.25mm，進給量f＝0.1mm/r，刀片磨損較小，加工效率較高，端面槽變形量滿足圖樣尺寸要求。

分析原因，刀片GIPY5.00-2.50 IC907切削高溫合金RRMS33031/1的優(yōu)選線速度10～15m/min，涂層IC907耐磨性較好，但不夠鋒利，刀片磨損后繼續(xù)切削會加劇工件變形；刀片GIPY5.00-2.50 IC20刃口鋒利，耐磨性差，加工高溫合金磨損非?？欤镀p后產(chǎn)生較大切削力，零件變形較大；刀片GIPY5.00-2.50 IC806較好的兼顧了耐磨性及抗震性，刀片鋒利程度較好，尤其適合高溫合金材料的快速切削。涂層IC806在切槽加工時，切削速度v＝70m/min時，刀片能明顯提高加工效率，加工后尺寸穩(wěn)定，工件變形量滿足圖樣要求。

（3）測量方案 利用封嚴環(huán)零件輔助支撐夾具，在機床上對零件上端面及內(nèi)孔的加工尺寸進行測量。測量封嚴環(huán)尺寸時，先使用壁厚卡鉗對封嚴環(huán)所有壁厚尺寸測量，壁厚尺寸合格后，應使用杠桿百分表對封嚴環(huán)大端面的跳動進行測量，通過大端面徑向圓跳動及壁厚均勻性綜合分析零件端面的變形量（見圖5a）。端面槽內(nèi)孔直徑和外圓直徑的徑向圓跳動也通過杠桿百分表測量（見圖5b），端面和端面槽的跳動，反映出工件在機床上加工后的變形狀態(tài)。使用這種測量方法，在車床夾具上對零件的變形量進行測量，分析在限位狀態(tài)下零件的變形情況，使用該夾具對封嚴組件加工后，杠桿百分表的指針值變化在0.01～0.05mm，零件變形均勻可控。在車床夾具上限位測量后，將零件卸下，在自由狀態(tài)下對封嚴組件的關鍵特性進行測量，并將零件在限位狀態(tài)下與自由狀態(tài)下的測量結果進行對比，對分析工件變形及制定消除方案有重要意義。

表1 封嚴組件大端面切削參數(shù)

表2 封嚴組件端面槽切削參數(shù)

圖5 封嚴組件組合定位支撐調(diào)節(jié)示意1—臺階型支板 2、6—杠桿百分表 3、7—封嚴組件4、8—夾具底座 5—支座

在裝夾零件時，應控制輔助支撐的支撐力，過大的支撐力會造成零件裝夾變形，支撐力過小，加工過程中起不到輔助支撐作用。封嚴組件在加工前裝夾過程中，應使用杠桿百分表測量被支撐面的變形量。調(diào)節(jié)大端腹板臺階型支板時，應先將臺階型支板推入封嚴組件端面槽中，再使用扳手擰緊螺母，擰緊時，支板支撐零件的上方應壓上杠桿百分表（見圖5a），保證封嚴組件端面在支撐前、后百分表的指針變化量為0.005～0.010mm。

在調(diào)節(jié)支座的壓緊力時，注意沿夾具周向8處支座應調(diào)節(jié)均勻。調(diào)節(jié)外圓槽底部支座時，手動推入支座，使支座前端與封嚴組件的外圓槽底部貼合，在封嚴組件的端面槽內(nèi)壓上杠桿百分表（見圖5b），應保證封嚴組件端面槽內(nèi)孔直徑在支撐前、后百分表的指針變化量為0.01～0.02mm。手動調(diào)節(jié)好支座與封嚴組件貼合后，壓緊螺釘，使夾具周向8處支座支撐力均勻穩(wěn)定。

（4）殘余應力消除 高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件的殘余應力可以用自然時效、去應力方法進行消除或者調(diào)整。自然時效方法簡單，成本低，但周期較長；去應力能大幅地降低封嚴組件的內(nèi)殘余應力，去應力時間較自然時效時間短，節(jié)約生產(chǎn)周期，但成本較高。

為了消除封嚴組件在中間過程產(chǎn)生的變形，在蜂窩密封釬焊工序后，增加去應力工序，使封嚴環(huán)內(nèi)部金屬組織中殘余應力松弛并得到釋放。去應力后，后續(xù)精加工工序余量較小，對封嚴組件的加工變形影響較小。

高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件在轉(zhuǎn)移及運送過程中，應定制專用工件周轉(zhuǎn)箱，封嚴組件在轉(zhuǎn)移過程中應水平放置，避免工件因豎立放置時間過長而造成的變形問題。

5 結束語

通過對高壓出口整流葉片內(nèi)封嚴組件進行工藝分析，發(fā)現(xiàn)引起車加工變形的主要因素是零件定位裝夾的選擇。通過設計一種用于封嚴組件組合定位支撐車床夾具，使車床夾具上的支板和支座對零件薄壁及剛性較差的部分形成輔助支撐，避免或減少封嚴組件因剛性差在車加工時產(chǎn)生變形，保證了產(chǎn)品的尺寸公差及加工精度；在保證零件定位裝夾合理穩(wěn)定后，通過對比不同涂層刀片對封嚴組件的試切結果，確定了適用于封嚴組件的刀片材質(zhì)及切削參數(shù)；通過優(yōu)化設計基于輔助支撐夾具的測量方案，消除了測量系統(tǒng)對工件變形的誤差影響；殘余應力的消除，使封嚴組件變形有較大改善。通過試驗，提出控制封嚴組件變形的工裝方案，保證產(chǎn)品的尺寸公差及加工精度。