浅谈提高某环形机匣合格率的方法

陈亚莉 于新峰 王 婷

（1.空装驻沈阳地区第二军代表室，辽宁 沈阳 110043；2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 引言

某环形机匣零件采用某镍基高温合金材料锻造形成，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，650℃下的屈服强度居变形高温合金首位。该薄壁零件在以往的加工结果中，自由状态下后端精密孔位置度可达0.42mm。该研究旨在寻找合理有效的加工方法，确定切实可行的工艺路线，在152mm高度下保证前后端同轴度。

1 研究内容及目标

某环形机匣属于高温合金锻造环形机匣，该零件相比前一状态结构更加复杂，三维模型如图1所示，其最大直径Ф938mm、最小直径Ф818mm、高度152.5mm、壁厚2mm，属于典型薄壁环形机匣，直径公差0.056mm，前后端精密孔位置度0.02mm/0.03mm，外圆存在1处孔探仪安装座和8处引气管安装座。该类型机匣零件在以往的加工中，自由状态下后端精密孔位置度可达0.42mm，如何规划合理的工艺路线和优化工艺方法保证零件后端精密孔的位置度，是该研究的重点。

图1 某环形机匣零件三维模型

该研究从工艺路线、工装结构、加工刀具和走刀路线等方面着手，探索出保证该零件精密孔位置度合格的加工方法。

2 问题分析

该环形机匣材料硬度大、自身刚性差、结构复杂、缺少相关加工经验，同时该零件需求量较大，加工周期紧张。

3 技术方案验证

3.1 设计协同阶段

根据设计图纸，绘制气球图，用于后续零件结构特点及加工难点分析。通过对零件设计图纸的解读，查找相关加工难点及风险点如下：1）加工时因壁厚薄，铣加工时径向力大易导致零件变形，因此须派制带辅助支撑的专用工装，减少铣加工带来的应力变形[1]，同时采用先进数控加工技术降低铣加工变形影响。 2）零件材料硬度大，现有刀具加工困难。零件材料为锻造高温合金，其机械加工性能差，刀具易崩刃，且易与合金中的元素发生反应，为保证零件能顺利生产，需要进行不同厂家、不同规格、不同材质的刀具试验。3）部分尺寸结构特殊，常规方法无法测量。对常规方法无法检测的尺寸，选用三坐标测量，同时为保证生产周期需求，数控设备可以保证的尺寸优先选择首末件检查。对个别工序中无法直接保证的尺寸，可以通过尺寸链换算及适当缩严公差进行间接保证[2]。

3.2 工艺试制阶段

作为典型的薄壁机匣件，为保证零件尺寸合格，最重要的是控制零件变形，零件变形可以大概分为本身毛料的内应力以及加工中的应力变形2个方面。

该零件毛坯为锻造件，针对毛料本身内应力，加入半精车、半精铣工序，逐步释放应力，消除上工序的变形量，减少毛料内应力影响。针对加工中产生的应力变形，从减少加工应力和控制应力对零件影响等方面开展工作，通过螺旋铣等先进加工方式减少产生的加工应力，采用车铣复合、辅助支撑的方法来控制应力产生的影响[3]。

3.2.1 薄壁机匣变形控制研究

3.2.1.1 梳理工艺路线，调整加工顺序

为减少加工变形对设计基准和后端孔位置度的影响，进行工艺路线优化，具体调整内容如下：1）增加修基准工序，半精车的腐蚀检查后，精车前增加一道修基准工序，进一步控制精车工序加工基准；2）调整设计基准加工顺序，将铣加工凸台及孔内容调整至内圆基准加工前，缩严铣加工凸台工序孔位置度要求，减少铣加工对设计基准的影响，保证最终设计基准精度；3）调整精密孔加工顺序，调整钻铰前后端精密孔为最后2道机加工序，减少其他加工对零件变形和精密孔位置度的影响；4）保证车铣加工顺序，同设计协调，调整该机匣零件型面尺寸，保证先精铣型面再精车后端，保证铣加工时零件刚性，并通过车加工进一步消除铣加工引起的零件加工变形。

3.2.1.2 改进加工余量，降低铣削变形

原粗铣工序去除余量较小，稳定处理后铣加工仍需去除大量余量，易导致零件变形。将铣加工大部分余量调整至稳定，调整后铣外型面余量可减少21mm，减少稳定处理后大余量铣削产生的应力变形。

3.2.1.3 设计稳定装夹方案，增强零件加工刚性

后端孔加工时加工部位距支撑面较远，刚性较差，设计稳定装夹方案，进行多点限位和支撑，如图2所示，加强后端孔加工系统刚性，减少加工变形，保证后端孔加工精度。

图2 某环形机匣夹具装夹示意图

原加工方案中加工端面孔时，采用辅助支撑结构支撑下端面，防止加工中端面产生沿轴向变形，但在实际加工端面孔后发现，零件端面端跳变形不大，而加工孔后因零件端面原应力结构被破坏，圆周方向会产生较大变形，若采用该辅助支撑，因顶紧产生的摩擦力会在加工过程中限制零件变形，最终会导致零件卸下后会产生二次变形而使端面孔位置度变差。不采用改结构加工，零件会因加工孔产生变形，但随孔逐渐加工扩大，会逐步修正孔位置度，最终保证限位检测时孔位置度。不使用该辅助支撑加工2台零件后，限位工装下测量端跳为0.016mm和0.027mm（要求0.05mm），满足要求。

3.2.1.4 测定机床精度，优选加工设备

为排除机床自身精度对零件加工的影响，开展优选高精度机床工作，根据测定机床的定位精度和重复定位精度，最终选定现场高精度设备加工。

3.2.2 高效低应力铣加工技术研究

3.2.2.1 全流程工序仿真，分析理论变形规律

对零件进行工序级工艺仿真分析，零件后端车加工内容多、去除量大，加工后产生较大应力，变形较大，须控制加工过程中零件应力的释放，控制最终变形量；铣加工型面后的车加工出现应力集中现象，产生偏心变形，须优化铣加工工艺，控制应力集中。

3.2.2.2 细化操作步骤，控制车削状态

车加工变形控制是零件变形控制的重要环节，通过拆分加工工序，前后端反复车削，并在加工过程中设置应力释放点，让零件自由释放应力，以控制车加工后零件最终状态。为规范车加工操作，制作车加工操作步骤细化说明书，主要内容如下：1）加工前自由状态测量。加工前自由状态下测量零件上端面端跳及圆跳，记录在流卡后的记录表内；2）加工前检查。加工前使用塞尺测量零件基准面跳动，若基准面跳动不满足要求，则重新修平；3）装夹零件：按照工艺规程找正压紧零件，压紧时基准面垫塞尺，不允许悬空压紧；4）加工前限位状态测量。加工前在压紧状态下测量零件上端面端跳及圆跳，记录在流卡后的记录表内；5）粗车加工。按数控工步卡进行加工，每刀上刀量不大于0.2mm，全型面尺寸预留0.2mm~0.5mm余量；6）中间过程松压板。粗加工后，将零件压板松开，卸下零件后放置1h~2h。松开压板后须将零件移开原位置进行放置；7）二次装夹。将零件重新按工艺规程找正压紧，压紧时基准面垫塞尺，不允许悬空压紧；8）精车加工。按数控工步卡继续加工剩余的0.2mm~0.5mm余量，每次上刀量不大于0.1mm；9）加工后限位状态测量。加工完毕后在压紧状态下测量零件上端面端跳及圆跳，并作好记录；10）加工后自由状态测量。松开压板，卸下零件，自由状态下测量零件上端面端跳及圆跳，并作好记录。

3.2.2.3 采用对称铣加工，均匀释放应力

零件外型面分布8处引气孔凸台，原采用普通顺序铣方式加工，因应力释放不对称，导致零件变形较大。经研讨分析，该结构可采用对称铣加工，均匀释放铣加工应力，减少零件变形情况。

加工过程中，将铣型面工步拆分为粗、精铣，借鉴分层低应力铣削特点，局部型面不直接加工到位，采用完整型面逐层铣削的方式，如图3所示，全型面逐步上刀去除余量，使加工应力均匀释放，减少因应力释放造成的变形。

图3 逐层铣削方式加工仿真

3.2.2.4 优化孔加工方案，提高孔加工质量

为控制孔系偏心量，须着重控制前后端孔的加工方法，对加工的各个环节进行优化： 1）加工前校正机床零点，消除机床主轴定位误差。加工前校正机床，为进一步消除机床自身误差对零件加工的影响以及厂房温度差异对机床定位零点的影响，加工前对机床进行零点校正。2）优化找正方案，将工作台旋转找正改为精度更高的主轴旋转找正。因机床X、Y、Z坐标轴的精度优于工作台C轴精度，这使点位加工方案要优于旋转工作台加工，采用点位加工方式若加工前找正为旋转工作台找正零件，该找正方式进行点位加工会存在机床零点与主轴零点误差，该误差会累计进孔偏心量内，采用旋转主轴找正零件，该方案进行点位加工会消除零点误差。3）孔加工方案由顺序铣改为对称铣，均匀释放应力，控制孔系偏心量。某机匣零件钻铰前、后端孔工序原加工方案为顺序铣加工方式，该方案应力释放不一致，经讨论该加工方案可能是导致后端孔产生偏心的原因之一，因此将前、后端孔加工方案改为对称铣，不会因一侧应力释放而导致整体孔发生偏心。4）端面孔预留余量模拟加工，在限位工装上验证精密孔系加工方案，通过调整主轴零点位置补偿孔系偏心量。加工过程中，为降低钻孔后零件应力产生的变形对孔位置度的影响，同时为收集孔加工过程中偏心数据，加工时不直接将孔加工到位，而是单边留1mm余量，先加工至Φ6mm孔，卸下测量，而后再加工至Φ8mm孔再进行测量。5）优化走刀路线，提高加工质量。

在铣加工外型面时，原加工方案为一次走刀加工全部区域，在UG软件及仿真模拟中刀路无问题，但在实际半精加工过程中发现转接R处有过切现象。优化后将该刀路改为分3步加工，如图4所示，转接R圆角单独进行，加工后零件表面质量良好。

图4 分步加工走刀路线仿真图示

试验铣加工参数，保证粗糙度合格。零件前端面和8处引气孔凸台表面为保证装配后气密性，要求加工后的表面粗糙度Ra0.8μm，通过与专家讨论，为保证表面质量，避免多次排刀产生的接刀破坏表面完整性，采用连续铣削方式，最终确定为圆周方向走刀加工。现场加工后使用粗糙度仪进行测量，车加工后的表面粗糙度Ra0.3μm~Ra0.5μm，铣加工采用主轴转速S为1200r/min、进给速度F为20mm/min的参数加工，加工后的表面粗糙度为Ra0.4μm~Ra0.6μm，满足设计要求。

3.3 薄壁机匣限位检测研究

针对某环形机匣提出的限位检测要求，首先确定限位工装方案，尽可能保证限位工装状态和装配状态一致，经与设计以及各团队专家讨论，确定限位工装方案为以零件前端内圆和端面为基准，辅助固定后端端面和外圆。

测量时，须限位检测的尺寸，除在限位工装上进行检测外，还额外进行自由状态测量，收集限位与自由状态数据，总结限位检测经验。

从测量数据可知：1）端面孔位置度。限位状态下基本为0.1mm，较自由状态改善了约0.1mm，限位工装作用明显；2）端面平面度。限位状态基本为0.03mm，较自由状态改善了约0.07mm，限位工装能起到很好的限位作用；3）圆跳动。限位状态下基本为0.1mm，较自由状态改善了约0.03mm；4）径向形位公差。限位状态下与自由状态数据基本一致，限位工装对径向孔位置度和平面度等基本无影响；5）装配后形位公差。通过对比装配后端面孔位置度和后端面跳动，限位工装下与装配后数据基本一致，限位工装接近模拟装配作用。

3.4 新件试制结果

在贯彻上述所有措施后，研制台份最终测量数据：零件端跳在0.02mm左右，后端孔位置度在0.3mm左右，综合偏心量在0.06mm左右，比较更改前某机匣零件位置度0.44mm、偏心量0.1mm左右，状态有明显改善。

4 结论

通过该技术研究，笔者掌握了某环形机匣零件的变形控制加工方法，实现薄壁环形机匣零件的低应力高精度机械加工，零件精密孔的偏心量得到了有效控制；结合理论研究内容与零件最终状态的实际检测数据，该技术研究的工艺控制措施合理可行，可有效地控制该类型环形机匣零件的加工变形和后端精密孔的偏心量，该技术成果可以推广至类似结构的薄壁环形机匣类零件的研制和批量生产中，为后续同类零件的机械加工提供了切实可行的技术支持。