某環(huán)段類零件變形控制加工技術(shù)

吳旭剛 王小瓊 張啟帆

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

某環(huán)段類零件為發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)增加的零件，該零件的外徑尺寸在φ530mm～φ616mm、內(nèi)徑尺寸在φ450mm～φ566mm、總高度尺寸為69.5mm，其最小壁厚位置尺寸僅為2mm，零件大、小端外圓存在盲槽結(jié)構(gòu)，盲槽薄壁處存在兩處與外圓同軸度要求相同的φ0.05mm的孔，盲槽端面有兩處與大端基準(zhǔn)跳動(dòng)要求相同的0.05mm的孔且加工過程中不允許有接刀痕。該零件存在2個(gè)公差僅為0.044mm的直徑尺寸、 2個(gè)公差為0.05mm的直徑尺寸；零件后續(xù)須進(jìn)行切斷，為控制切斷后的變形量，須在機(jī)加工時(shí)，減少機(jī)加工過程中產(chǎn)生的切削殘余應(yīng)力。

從零件結(jié)構(gòu)上看，零件在加工過程中極易變形，尺寸及技術(shù)條件難以滿足設(shè)計(jì)要求。為保證該零件能夠合格交付并且使用，需要合理安排工藝路線、派制專用的夾具及非標(biāo)刀具以及提高加工系統(tǒng)剛性，從裝夾方案和裝夾布局方面分析變形機(jī)理，制定變形控制方案，實(shí)現(xiàn)薄壁環(huán)形件裝夾布局的最優(yōu)化[1]，控制加工后的零件變形量，保證零件尺寸及技術(shù)條件滿足設(shè)計(jì)圖要求。

2 技術(shù)狀態(tài)分析

該環(huán)段類零件需要與葉片單件在前機(jī)匣組件部位進(jìn)行組合裝配使用，在裝配過程中出現(xiàn)葉片單件無法順利裝配在內(nèi)環(huán)上的問題，針對(duì)上述發(fā)生的情況，須在裝配時(shí)對(duì)該環(huán)段類零件進(jìn)行加工修理，車修量在0mm～0.12mm，單件的返工影響組件的裝配進(jìn)度且對(duì)零件的質(zhì)量控制產(chǎn)生惡劣的影響。

該技術(shù)研究從工藝路線安排、加工工藝方法、專用工裝使用等多方面進(jìn)行改進(jìn)，探索影響零件裝配不合格的原因，提高薄壁零件加工過程的穩(wěn)定性，控制該環(huán)段類零件的變形量，從而提高其加工質(zhì)量[2]，保證組件裝配合格，并為該類型零件的加工變形控制積累加工經(jīng)驗(yàn)，保證后續(xù)該類型零件合格。

2.1 零件裝配關(guān)系分析

該前機(jī)匣組合件的裝配過程如下。將風(fēng)扇前機(jī)匣大端向下平放在工作臺(tái)上，裝配風(fēng)扇靜子葉片，然后裝配某環(huán)段類零件，其中一級(jí)內(nèi)環(huán)、二級(jí)內(nèi)環(huán)整環(huán)裝配葉片，最后將風(fēng)扇一級(jí)內(nèi)環(huán)擋塊裝配在風(fēng)扇前機(jī)匣上/下半部上（如圖1所示），用小十二角頭精密螺栓/自鎖螺母固緊，固定螺栓并擰緊螺母，保證機(jī)匣上/下半部結(jié)合面貼緊。

圖1 前機(jī)匣組件中各零件的裝配關(guān)系三維圖示

查閱設(shè)計(jì)圖尺寸，風(fēng)扇內(nèi)環(huán)與葉片上止口為間隙0.022mm～0.073mm（如圖2所示），下止口為過渡配合，間隙為-0.038mm～0.126mm，從設(shè)計(jì)意圖分析，零件實(shí)際加工尺寸應(yīng)屬于正態(tài)分布，因此零件裝配屬于小間隙配合，內(nèi)環(huán)實(shí)際加工尺寸超過中差 0.01mm，就會(huì)存在裝配障礙且由于每個(gè)環(huán)段須安裝17個(gè)葉片，綜合影響因素會(huì)加劇裝配卡死的概率。

圖2 配合位置的尺寸公差及間隙量圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)此前裝配部門反饋的兩臺(tái)裝配不合格的該環(huán)段類零件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用三坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)零件的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，采集四段半環(huán)外圓點(diǎn)位，每半環(huán)采集8個(gè)點(diǎn)，利用最小二乘法擬合計(jì)算直徑，對(duì)收集的零件外圓直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，零件變化趨勢均為外圓直徑增大且增大量已超出設(shè)計(jì)要求的極限間隙值，外圓直徑增大值在0.096mm～0.183mm，內(nèi)圓增大值在0.092mm～0.190mm，每個(gè)半環(huán)變形增大量差異較大，產(chǎn)生該變形的原因主要為零件整環(huán)切斷后其內(nèi)部應(yīng)力的重新分布。

2.3 零件尺寸結(jié)構(gòu)的分析

該環(huán)段類零件的直徑尺寸較大且外圓直徑尺寸及盲槽尺寸公差較為嚴(yán)格，為0.044mm/0.05mm且均為重要尺寸。零件毛料為整體鍛件，半精加工中去除余量大，精加工時(shí)不易控制零件變形；大、小端盲槽常規(guī)刀具無法滿足加工需求，須派制專用刀具；零件外型面與大、小端盲槽相接部位，無法一次加工成型，加工中須選擇合理的接到位置以控制零件外表面接刀痕；零件壁厚較薄，內(nèi)孔、外圓均需進(jìn)行加工，加工中須考慮兩側(cè)均勻去除余量。

2.4 零件的材料特點(diǎn)

該環(huán)段類零件的材料為一種典型的鈦合金，它具有中高等的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性且具備導(dǎo)熱性系數(shù)低、彈性模量小等特點(diǎn)，導(dǎo)致了其加工過程中出現(xiàn)切削力大、切削溫度高、刀具黏結(jié)嚴(yán)重的問題。該材料的彈性模量小，因此，該類零件在加工過程中的夾緊變形和受力變形較大，必要時(shí)應(yīng)通過增加輔助支撐的方法增加加工系統(tǒng)剛性[3]。由于該材料的導(dǎo)熱率較低，在切削加工過程中，刀具與工件材料的接觸面上由于摩擦所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，使切削區(qū)域的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到工件材料的相變溫度時(shí)，工件加工面的材料組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，造成零件變形，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的文獻(xiàn)資料，該材料宜采用高主軸轉(zhuǎn)速、小切削深度、大進(jìn)給速度的加工方法進(jìn)行機(jī)械加工。

2.5 工藝路線的分析

該環(huán)段類零件的毛料為鍛件，機(jī)械加工的整體過程為粗車加工去除部分余量，各表面距最終型面剩余4mm余量時(shí)進(jìn)行超聲波探傷檢查，然后半精車加工去除大部分余量，為后續(xù)最終的精車加工在各型面預(yù)留均勻的加工余量，進(jìn)行穩(wěn)定處理，然后進(jìn)行精車加工，在各型面均加工至最終尺寸后進(jìn)行銑槽、鉆徑向孔等鉆、銑加工內(nèi)容，最終進(jìn)行切斷。工藝路線初步設(shè)定為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷。通過對(duì)工藝加工過程的分析，零件各配合止口尺寸均在切斷前完成，整環(huán)切斷零件，其內(nèi)部應(yīng)力重新分配達(dá)到平衡，會(huì)造成零件一定程度的變形。因此為減少零件的變形量，應(yīng)將零件各精密配合止口尺寸的加工調(diào)整至切斷后進(jìn)行。因此，將工藝路線優(yōu)化改進(jìn)為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷-精車型面。

2.6 工藝及加工過程分析

該環(huán)段類零件的最終精車工序在立式機(jī)床上進(jìn)行加工，須直接放置在機(jī)床花盤上、支撐零件底面、壓緊零件上表面進(jìn)行裝夾加工，由于零件安裝邊厚度僅為3mm，上下端面?zhèn)缺诘谋诤駜H為2mm，零件在加工過程中受到切削力的作用，其薄壁位置會(huì)存在較大的翹曲變形現(xiàn)象，因此，該裝夾方式不利于控制零件變形量，應(yīng)對(duì)精車工序的裝夾方式進(jìn)行改進(jìn)。

零件切斷工序借助線切割設(shè)備進(jìn)行，因此，采用八點(diǎn)壓緊方式，即切斷后每1/4個(gè)半環(huán)由于僅剩余兩處壓緊，存在切斷后定位不穩(wěn)定情況，不利于零件切斷時(shí)的變形控制，因此，也應(yīng)對(duì)切斷工序的裝夾方式進(jìn)行優(yōu)化。

3 加工方案制定

通過以上分析，該環(huán)段類零件整體的工藝優(yōu)化過程可概括為以下幾點(diǎn)：1）優(yōu)化工藝路線及控制余量，保證配合止口在半環(huán)狀態(tài)完成；2）優(yōu)化裝夾方式， 保證零件處于穩(wěn)定的受力狀態(tài)；3）優(yōu)化加工過程的方法及參數(shù)，減少加工應(yīng)力、控制變形。

3.1 工藝路線優(yōu)化

該文對(duì)零件的裝配過程進(jìn)行了分析，零件配合止口為外圓面且零件為半環(huán)自由狀態(tài)裝配，為保證零件加工狀態(tài)與裝配狀態(tài)的一致性、協(xié)調(diào)性，將零件配合止口加工調(diào)整為切斷后進(jìn)行，防止由于零件切斷后變形造成的止口尺寸變化，保證加工與裝配狀態(tài)的一致性。工藝路線最終確定為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷-精車型面。

3.2 余量優(yōu)化

通過對(duì)零件變形數(shù)據(jù)的分析可知，零件最大變形量為0.19mm，綜合考慮零件二次裝夾等累計(jì)的誤差，零件切斷后預(yù)留0.4mm余量進(jìn)行精車外型面，保證零件精車后消除由于切斷變形引起的零件翹曲變形。

3.3 零件裝夾優(yōu)化

為控制零件加工過程中的受力變形，零件在車型面工序采用自制鋁盤進(jìn)行定位裝夾，裝夾效果如圖3所示，減少加工切削力對(duì)零件變形造成的影響，為零件加工創(chuàng)造穩(wěn)定的裝夾環(huán)境，防止零件變形。

圖3 零件裝夾三維圖示

為提高零件切斷前后的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)組合夾具時(shí)，每1/4半環(huán)增加一處壓緊位置，即每1/4半環(huán)采用三處壓緊的方式，防止零件切斷后，由于內(nèi)部應(yīng)力失去平衡造成零件變形。

3.4 加工參數(shù)優(yōu)化

為提高零件加工質(zhì)量、減少零件變形，半精車、精車工序的數(shù)控加工采用自動(dòng)循環(huán)分層程序進(jìn)行加工，固化零件每次走刀的切削深度，在各層的進(jìn)、退刀位置設(shè)置過度區(qū)域，保證切削過程中零件受力平穩(wěn)，避免由于加工過程中切削深度不均勻變化造成的零件內(nèi)部切削應(yīng)力累積，影響最終零件的尺寸及技術(shù)條件狀態(tài)。

同時(shí)，為保證車加工工序的加工質(zhì)量及加工效率，車加工轉(zhuǎn)速應(yīng)給定在30r/min～35r/min，加工進(jìn)給速度應(yīng)給定為 0.15mm/r～0.2mm/r，在刀具遠(yuǎn)離零件時(shí)，均采用大進(jìn)給速度進(jìn)行快速移刀。對(duì)精密尺寸的數(shù)控加工，應(yīng)在余量較大時(shí)采用循環(huán)分層方式去除余量，在余量較小時(shí)合理運(yùn)用程序暫停指令及時(shí)檢測精密尺寸，在保證精密尺寸公差的同時(shí)提高加工、檢測的效率。

4 加工方案實(shí)施

在該零件投料生產(chǎn)過程中，為保證切斷后零件的變形量在裝配允許的范圍內(nèi)，編制臨時(shí)工藝規(guī)程對(duì)研究方案進(jìn)行加工驗(yàn)證，并對(duì)零件的加工余量進(jìn)行了額外的調(diào)整。在零件外圓止口位置與內(nèi)槽止口位置增加預(yù)留0.4mm余量，在切斷后的最終狀態(tài)下進(jìn)行精車加工，并對(duì)半精車工序的數(shù)控程序進(jìn)行優(yōu)化，采用循環(huán)分層走刀加工，減少車加工過程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。

通過前期對(duì)類似零件加工數(shù)據(jù)的收集，該類型零件在切斷后變形嚴(yán)重，零件扭曲變形程度較大，導(dǎo)致零件的平面度及圓度均超出使用要求。結(jié)合此經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)加工時(shí)進(jìn)一步更改加工路線，在零件半精車后進(jìn)行切斷，零件在1/4半環(huán)狀態(tài)下加工，提前消除整環(huán)零件的內(nèi)部應(yīng)力變形。

切斷工序采用組合夾具進(jìn)行加工，防止零件切斷后內(nèi)部應(yīng)力失去平衡，在零件止口位置設(shè)定配合面進(jìn)行定位鎖緊，防止零件切斷后內(nèi)部應(yīng)力失去平衡，避免在切斷后整環(huán)瞬間出現(xiàn)漲開、收縮、扭曲等現(xiàn)象，控制零件切斷后的變形量。

在切斷后對(duì)零件進(jìn)行精車修整加工，精修配合止口尺寸，并制造專用鋁盤對(duì)零件進(jìn)行定位裝夾，采用精止口定位，減少由于零件剛性不足造成的變形。在對(duì)零件切斷后的止口尺寸進(jìn)行精加工后，對(duì)零件最終狀態(tài)的配合止口尺寸進(jìn)行多點(diǎn)測量，四個(gè)半環(huán)直徑均在合格范圍內(nèi)，即零件最終加工狀態(tài)與裝配要求一致，后續(xù)協(xié)助裝配部門完成了其組件的裝配工作，并保證了組件的尺寸及技術(shù)條件滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

5 方案驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)投料零件進(jìn)行現(xiàn)場加工驗(yàn)證的跟產(chǎn)，確保實(shí)際加工狀態(tài)符合技術(shù)方案的制定內(nèi)容。在生產(chǎn)驗(yàn)證過程中，優(yōu)化半精車加工、精車加工的數(shù)控程序；設(shè)計(jì)并制造了車加工工序的專用夾具，采用止口定位的裝夾方式；切斷工序采用每1/4半環(huán)三處壓緊的方式，整環(huán)共計(jì)十二處壓板，有效控制了由于切斷引起的零件變形；在切斷后增加精車修整工序，消除切斷引起的零件最終狀態(tài)尺寸的變形，零件在1/4半環(huán)狀態(tài)下精修止口等配合尺寸，保證了零件在最終裝配狀態(tài)各配合尺寸的使用要求；并成功將該零件的生產(chǎn)周期控制在50天以內(nèi)。

該技術(shù)研究表明，零件精密配合尺寸全部合格，滿足裝配使用要求，最終加工結(jié)果如下：1）止口尺寸。止口直徑配合尺寸均合格； 2）切斷變形。保證裝夾穩(wěn)定性，減少切斷后零件變形量； 3）加工經(jīng)驗(yàn)。薄壁變形零件加工必須采用止口定位的方式進(jìn)行裝夾； 4）成果分享。為該類型環(huán)段類零件的后續(xù)研制加工提供成熟的加工經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)論

該文對(duì)某環(huán)段類零件精密加工尺寸變形量控制進(jìn)行了研究，使該環(huán)段類零件合格交付并裝配使用，為后續(xù)該類型零件的研制生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，并總結(jié)該類型環(huán)段類零件的加工經(jīng)驗(yàn)如下：1）部、組件中，應(yīng)了解各單件配合尺寸在裝配組件中的作用及各配合尺寸之間的相互關(guān)系，進(jìn)而確定有效的工藝加工方案，保證加工、測量、裝配的一致性，降低零件的加工、裝配難度；2）薄壁易變形的零件在加工時(shí)必須采用止口進(jìn)行定位；3）零件切斷后必然存在變形，為消除零件的切斷變形，應(yīng)在切斷后采用精修工序進(jìn)行補(bǔ)充加工，保證最終狀態(tài)的零件尺寸符合其裝配使用要求；4）零件的切斷工序務(wù)必保證其壓緊方式安全可靠，避免切斷瞬間的應(yīng)力釋放造成的零件整體翹曲變形。