高溫合金薄壁環(huán)塊類零件銑加工技術(shù)研究

袁 昊 陳虹宇 李 健 劉培科

（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

高溫合金是1種使用溫度為1000 ℃左右的工程材料，其在600 ℃～1200 ℃高溫下不僅能承受一定應(yīng)力，具有良好的抗氧化和抗腐蝕能力，而且具有較好的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度[1]。隨著我國航空發(fā)動機(jī)性能要求的不斷提升，對制造材料的耐熱性和耐腐蝕性等要求也越來越高，而高溫合金作為1種能在高溫條件下長期穩(wěn)定工作的金屬材料，已成為航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域不可或缺的組成部分[2]。

在航空發(fā)動機(jī)所需要的各類高溫合金零件當(dāng)中，薄壁環(huán)塊類零件作為一個家族零件已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。該類零件的主要加工方法通常以銑削為主，車削、鉆削為輔。其銑加工過程在零件加工的整個生命周期中，占據(jù)了重要的地位。然而，由于該類零件形狀特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外加高溫合金自身切削阻力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重[3]，因此出現(xiàn)了零件銑加工困難、加工后零件變形量大、加工質(zhì)量不穩(wěn)定以及刀具消耗居高不下等一系列問題。

1 產(chǎn)品概述及問題描述

某高溫合金薄壁環(huán)塊類零件材料為K465，零件最大弦長為100 mm，高度為30 mm，厚度為12.7 mm，外圓直徑為900 mm。為了方便加工，零件下側(cè)預(yù)留了50 mm高度的工藝邊，零件加工余量1 mm，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某高溫合金薄壁環(huán)塊類零件示意圖

該零件主要加工內(nèi)容有銑加工工藝邊、銑加工兩側(cè)、銑加工上下沿及車內(nèi)外圓型面。在整個加工過程中，其銑加工內(nèi)容約占總加工內(nèi)容的80%。

該零件材料為鑄造高溫合金，其最小壁厚僅為2 mm，由于其自身剛性差，且加工余量大，導(dǎo)致其銑加工過程出現(xiàn)如下問題：1） 刀具損耗過快，刀具無法連續(xù)加工。2） 加工中零件震顫嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具崩刃問題頻繁，刀具成本過高。3） 加工后零件變形嚴(yán)重，無法滿足設(shè)計文件的要求。4） 加工效率低，對重要設(shè)備占用率高，影響交付周期。

2 原因分析及優(yōu)化方案的制定

經(jīng)過初步分析，造成上述問題的主要原因有4個：1） 鑄造高溫合金的材料自身硬度高，機(jī)械加工性能差。2） 環(huán)塊類零件，結(jié)構(gòu)特殊，不便于裝夾，導(dǎo)致裝夾剛性差。3） 零件壁厚較薄，自身剛性不足，導(dǎo)致加工過程中零件變形過大。4） 零件毛料為鑄造件，自身余量大，傳統(tǒng)機(jī)械加工效率低。針對上述原因，制定初步驗(yàn)證方案如下。

2.1 優(yōu)化零件裝夾

為了提高零件裝夾的剛性，降低加工后零件變形，零件裝夾時應(yīng)盡量采用多點(diǎn)壓緊、多點(diǎn)支撐，必要時還需要增加輔助支撐。同時，考慮該零件為環(huán)塊類零件，單件、單次裝夾加工影響其加工效率，加工時可采用批量裝夾、一次加工多件的加工方法，以此提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期。

2.2 優(yōu)化工藝方法

為了提高零件加工效率，降低刀具成本，加工中可以充分利用無切削應(yīng)力的電加工方法進(jìn)行余量去除。

由于該零件存在較大工藝邊用于零件裝夾，加工中可以通過優(yōu)化加工部位，減少非必要加工內(nèi)容，以提高加工效率。

2.3 優(yōu)化走刀路線及加工參數(shù)

在銑加工過程中，應(yīng)該盡可能地考慮順、逆及刀具側(cè)刃銑與底刃銑等對零件加工質(zhì)量的影響，通過合理優(yōu)化刀路及加工參數(shù)，提高刀具壽命，降低刀具成本。

3 優(yōu)化方案的實(shí)施

針對制定的優(yōu)化方案，進(jìn)行逐項(xiàng)實(shí)施，并進(jìn)行效果比對。

3.1 優(yōu)化零件裝夾方式

在零件試制的過程中，為了提高試制效率，采用如圖2所示的組合工裝進(jìn)行裝夾。該裝夾方式雖然簡單快捷，但是由于其主要以點(diǎn)定位為主，輔以部分支撐，其裝夾剛性有限，試加工后零件振動明顯，加工刀具崩刃現(xiàn)象頻繁，無法滿足零件加工要求。

通過設(shè)計如圖3所示的專用工裝，采用型面定位，并增加多處輔助支撐，最大限度地提高零件裝夾剛性，有效減少了刀具崩刃現(xiàn)象，同時也減少了零件加工變形的情況，在提高零件合格率的同時，也提高了加工效率。

圖2 組合工裝裝夾狀態(tài)

圖3 專用工裝裝夾狀態(tài)

由于該零件為環(huán)塊類零件，單臺發(fā)動機(jī)需求量大，在試制過程中為了節(jié)約工藝準(zhǔn)備時間，提高試驗(yàn)效率，采用單件裝夾、單件加工。但是該裝夾方式加工效率較低，不適于大批量加工與生產(chǎn)。

針對零件各工序的加工特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備能力，對能實(shí)現(xiàn)批量加工的工序設(shè)計如圖4所示的批量裝夾專用夾具。通過零件自身尺寸與裝夾位置的幾何關(guān)系計算，實(shí)現(xiàn)一次裝夾，即可加工多個零件，大幅提高了零件加工效率。

圖4 批量裝夾狀態(tài)

3.2 優(yōu)化工藝方法

在零件試制過程中采用了如圖5所示的相對傳統(tǒng)的純機(jī)械加工方法對零件進(jìn)行加工。該方法雖然保證了零件試制要求，但是由于零件加工余量大，同時零件材料切削性能差，進(jìn)而導(dǎo)致了零件加工效率低。同時純機(jī)械加工其刀具消耗也相對較高，零件加工成本無法滿足生產(chǎn)要求。

圖5 原工藝路線

為了提高零件加工效率、降低刀具費(fèi)用，對零件加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝方法如圖6所示。即在銑加工工序前增加必要線切割去余量工序，將機(jī)械加工余量降至最低，進(jìn)而減少銑加工內(nèi)容，提高加工效率。

圖6 優(yōu)化后工藝路線

由于該零件結(jié)構(gòu)特殊，無法通過傳統(tǒng)方法進(jìn)行裝夾與固定。為了便于現(xiàn)場制造生產(chǎn)，零件毛料在零件下側(cè)設(shè)置了工藝邊。在試制過程中，為了方便加工，銑兩側(cè)時連同工藝邊部分也進(jìn)行了加工，這就導(dǎo)致非必要切削增加。

通過對零件結(jié)構(gòu)的分析，對工序中加工內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。先通過線切割去除下部工藝邊部分余量，再通過銑加工方法去除如圖7所示的上部零件余量。通過該工藝方法，既保證了零件加工精度，又減少了銑加工內(nèi)容，在提高銑加工效率的同時也減少了刀具的消耗。

3.3 優(yōu)化走刀路線

在試制過程中，為了方便數(shù)控程序編程，其銑加工刀路通常以單向多刀路加工為主。然而，由于加工刀具反復(fù)切入、切出零件，導(dǎo)致刀具沖擊加劇，刀具崩刃嚴(yán)重，刀具耐用度過低，部分零件還造成了碰劃傷，因此零件加工狀態(tài)及加工質(zhì)量無法滿足生產(chǎn)要求。

通過分析加工過程，對零件加工中的刀具路線進(jìn)行優(yōu)化，采用如圖8所示折線往復(fù)加工路徑，在整個加工過程中刀具始終與零件保持貼合，大幅降低了刀具沖擊，有效提高了刀具耐用度，進(jìn)而降低了加工成本。

圖7 零件部分示意圖

3.4 優(yōu)化刀具及參數(shù)

在試制過程中，由于該零件使用的刀具僅為普通高溫合金專用刀具，并未根據(jù)該零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工特性定制專用刀具，因此出現(xiàn)了部分刀具匹配性差、刀具耐用度及刀具質(zhì)量偏低等問題。

為了固化加工方案，降低刀具成本，找到最優(yōu)切削方案，現(xiàn)場對不同廠家、不同參數(shù)下的刀具進(jìn)行了大量試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 刀具試驗(yàn)情況分析表

通過大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，最終固化了適用于該零件的專用刀具。通過刀具及參數(shù)的固化，不但提高了加工效率，也大幅提升了零件質(zhì)量穩(wěn)定性，有效控制了因刀具問題而造成的廢品損失。

4 結(jié)語

高溫合金薄壁環(huán)塊類零件在銑加工過程中雖然會面臨刀具損耗過快加工成本高、零件震顫大、刀具崩刃頻繁、加工后零件變形嚴(yán)重質(zhì)量穩(wěn)定性差、加工效率低對重要設(shè)備占用率高等一系列問題，但是通過對零件結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析、合理設(shè)計工裝夾具、適當(dāng)選擇加工方案最大限度降低加工余量、合理設(shè)置走刀路線及加工參數(shù)、選擇最適用于零件加工的工刀具等優(yōu)化方法，就能夠有效提高零件質(zhì)量、降低加工風(fēng)險，節(jié)約加工成本。該研究是基于上述方法開展與實(shí)施的。通過該研究，不僅為高溫合金薄壁環(huán)塊類零件銑加工方法優(yōu)化與現(xiàn)場應(yīng)用探索出了一條切實(shí)可行的路線，而且也為工廠節(jié)約了加工成本、縮短了加工周期，更為后續(xù)相似零件的加工與優(yōu)化探索奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。