镍基高温合金薄壁大孔粗铣加工工艺改进

姜海兵+杨宏兵

摘 要：文章充分考虑了镍基高温合金薄壁大孔加工的结构特点，在保证加工质量的前提下，尝试新的孔加工工艺，从而获得一种生产效率高、加工成本低的镍基高温合金薄壁大孔加工工艺。

关键词：镍基高温合金；大孔；工艺改进

中图分类号：F407.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0055-02

前言

航空发动机制造是一个国家制造业的典型代表。其零件的整体化、结构化、轻量化是提高发动机推动比的重要设计特性之一。航空发动机整体薄壁件结构复杂，虽然整体刚度很高，但是切削过程中局部刚度相对较低；另外，数控铣削加工中极易产生工件变形和切削振动，造成整体薄壁零件加工效率和加工精度低，很难达到工件质量要求，该问题已成为影响与制约薄壁件加工质量的主要因素。

某航空发动机的环形薄壁件，在加工中心对该零件进行大孔加工。由于该零件加工大孔时刚性差，易变形，生产效率低，成本高，不能达到工厂的质量和成本目标。本文在认真分析该薄壁零件的结构特点和大孔加工要求的前提下，对该薄壁零件的大孔加工工艺进行改进，为企业创造巨大的经济效益。

1 镍基高温合金薄壁零件结构特点与工艺分析

某薄壳类环形零件材料为Inco 718，工件的外径约为600mm，平均壁厚为2mm，工件上均布20个直径为70mm的大孔。大孔的直徑公差为70+/-.15mm，工件平面度要求为0.2mm。

2 原有大孔加工工艺分析

原有的加工工艺为：

（1）用SANDVIK的880系列砖头880-D0690V80-03搭载刀片880-06 04 W08H-P-LM 4344和880-06 04 06H-C-LM 1044粗钻底孔；

（2）用？覫12mm的铣刀对该大孔进行精加工。

按照此工艺加工，工件在机加工完成后产生了严重的变形。工件的平面度由加工前的.05mm猛增至0.45mm，导致工件超出蓝图要求，不能达到生产要求。由于该零件是镍基合金薄壁件，？覫69mm的880钻头加工时，产生的刀具轴向力较大，使用该刀具加工时导致了工件的变形。

3 改进工艺设计

由于之前的工艺缺点非常明显，产生变形的因素也已经确定。所以，后续的工艺改进方案主要是针对刀具的选用来进行。

3.1 刀具方案制定

考虑到之前的工艺是使用刀具去除了大孔的所有余量，加工去除余量较多，刀具加工时产生的加工力量较大，而导致了加工后工件变形，工时较长等问题。针对该问题，必须更换刀具，选用加工力量较小的刀具。由于该大孔的特征是孔径大，但是深度较浅，我们尝试将车床的槽刀片装在铣床的刀柄上，用槽刀片将该大孔割出来，类似套料钻的原理，只是刃口只有一个槽刀片。该方案的优点是所有的刀柄均是标准件，不需要订制非标刀柄，该刀柄仅有一个刀片，虽然加工效率相对较低，但是加工时切削力较小，对工件的变形影响小。

在刀柄的配置方案中，我们选择了SANDVIK的CoroCut 1-2端面切槽切削头570-32L123P15B068A，CoroBore 825精镗单元S20-R825SL32 020，CoromantCapto 镗削接杆C6-R825S20-150 068，NMTB-CoromantCapto 接柄C6-A390.45-50 040。端面切槽切削头加工的轴向槽最小内径为68mm，轴向槽最大外径为98mm，所以该端面切槽切削头不需要进行额外修磨即可加工我们？覫70mm的大孔。CoroBore 825精镗单元配合CoromantCapto 镗削接杆可以将端面切槽切削头在直径方向调整至合适的尺寸，以达到刀柄旋转后刀片的回转直径是我们所需的尺寸。该刀具方案的组装图如图1。

3.2 加工工艺制定

由于使用槽刀加工，在最后的切断瞬间，槽刀切断的中心圆柱体材料如果不受固定，会挤压槽刀片，从而导致刀片崩断。所以，我们需要在切断前固定住该残余材料。我们采取的方案是在大孔中心钻一个？覫13mm的孔，然后用M12的螺栓将工件与夹具锁紧。这样就避免割断后，残余材料挤压刀片。

所以优化后的工艺如下：

第1步，用？覫13mm的钻头在大孔中心钻一个孔。

第2步，在每个大孔的中间增加M12螺丝锁紧工件。

第3步，用割槽刀对大孔进行割断加工。

第4步，割断后，松开螺丝，取出中间的加工后残余材料。

第5步，用？覫12mm的铣刀进行精加工。

3.3 变形测量

新工艺加工完一件工件后，工件A基准的平面度由加工前的.05mm微变至.12mm，在可控范围之内。继续加工小批量的零件，工件的平面度范围在.10mm- .15mm。

4 生产效率与成本分析

4.1 生产效率分析该薄壁大孔零件的加工工艺和工装夹具改进设计后，我们可以对比下前后工艺的加工时间。

改进前：

钻一个？覫69mm孔的时间为100秒

精铣？覫70mm孔的时间为73秒

总加工时间为173秒

改进后：

钻一个？覫13mm孔的时间为8.4秒

锁紧一个M12的螺栓时间为5秒

用槽刀割断大孔的时间为37.7秒

松开一个M12的螺栓并取出中间的加工残余材料的时间为10秒

精铣？覫70mm孔的时间为73秒

总加工时间为134秒

比较前后的工艺，改进后的工艺加工工时明显缩短，每个孔的加工可以节约39s，一圈20个孔，一共可以节约780s，即13min，加工中心每小时300元的费用，仅仅工时方面每一件可以节约65元。如果单纯从工时角度考虑，我们改进后的工艺可以明显节约工时。但是改进后的工艺也有缺点，增加了机床停顿与员工的手动操作，加重了员工的操作负荷。需要员工在机床停顿的时候，及时进行手动操作，如果员工不及时操作，会产生机床停顿。

4.2 刀具成本分析

刀具费用：（每把刀具的费用*刀具用量）

改进前的工艺刀具费用：

880刀片：（90+90）*.5=90元

？覫12mm硬质合金铣刀（可修磨2次）：100元

改进前刀具费用：190元

改进后的工艺刀具费用：

N123刀片：120*.5=60元

？覫13mm硬质合金钻头（可修磨5次以上）：200*.1=20元

？覫12mm硬质合金铣刀（可修磨2次）：100元

改进后刀具费用：180元

由于增加了？覫13mm硬质合金钻头，改进后的方案的刀具数量有所增加，但是刀具总的费用并没有增加，反而节约了10元。

4.3 质量

新工艺可以将工件A基准的平面度控制在.15mm左右，可以满足图纸要求。工件的首次通过率由老工艺的0%提升至100%，降低返工率。其减少的返工及报废成本是巨大的金额。

5 结束语

本加工工艺的改进充分考虑了所加工薄壁大孔类零件的结构特点，在加工工艺遇到变形较大的问题时，选取具有创新性的刀具，将车床的槽刀通过SANDVIK的标准接口装配在粗镗刀杆上，实现了在铣床上使用槽刀的功能。由于新工艺利用槽刀的割断，金属去除量少，刀具的切削力小，解决了工件变形的质量问题。本次改进的最大亮点还是使用了标准的槽刀杆在铣床上进行端面槽加工，由于该方案选用了粗镗刀刀杆，该刀杆的可调范围很大，所以直径范围在40mm-150mm的槽和孔均可以使用该方案进行加工。

参考文献：

[1]王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

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