某航空发动机高硬度薄壁异形环形件加工技术

赖道辉，丁博，刘军，薛刊，甘国荣

1. 广西科技师范学院职业技术教育学院 广西来宾 546199 2. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 辽宁沈阳 110042

1 序言

近年来，随着航空发动机的设计结构及性能的不断改进和提升，环形结构类的机匣零件作为航空发动机重要的组成部分，其制造材料和结构也发生了很大的改变，结构设计也越来越先进。环形零件一般是一个圆柱形或圆锥形薄壁筒体，具有壁厚薄、直径大、刚度差、尺寸精度高以及强度高等特征，加工时从毛坯到零件加工完成，材料切除率高达90%以上[1，2]。这些特点给环形件加工质量和加工效率带来了巨大的挑战，存在加工时变形大、装夹困难、刀具磨损严重、加工周期长及自由状态下圆度差等问题，从而影响发动机的装配以及整机性能[3]。

针对航空发动机薄壁环形结构类零件加工过程的变形，国内外诸多学者对其进行了研究，取得了相应的成果[4-9]，研究表明薄壁结构类零件，在切削加工过程中随着材料去除，刚度逐渐减弱，刚度不足引起的加工变形是影响尺寸精度的主要原因。另外，夹具装夹不当或夹具设计不合理也会引起加工变形，这是由于零件刚度较差，装夹时产生的装夹力导致零件端面的平面度变差以及薄壁处变形。此外，切削力也是造成薄壁零件变形的一个因素，切削加工时由于零件刚度不足，在切削力作用下产生弹性让刀变形，主要发生在薄壁处，表现为圆跳动量过大。最后，去除材料后产生的残余应力释放也会造成一定的变形，这是由于零件加工过程中，原本平衡的初始内应力状态遭到破坏，因此需要通过协调变形达到内应力新的平衡。

以上的研究成果大多数研究集中在具有规则的外形结构的薄壁零件，结构相对简单，但对于薄壁高硬度异形环形件的研究相对较少。因此，本研究根据某航空发动机的薄壁异形零件的结构特点，从工艺路线、设计工装夹具和数控程序等多方面开展工作，以控制零件变形，来解决刚度不足引起的加工困难问题，最终通过加工实践来验证零件的加工精度和加工效率，为类似高硬度的薄壁异形零件加工提供参考。

2 安装环结构及工艺性分析

2.1 零件结构特征分析

某薄壁异形环形零件尺寸外廓φ515m m×φ330m m×30m m，零件形状十分复杂，类似于“Z”字形草帽结构，剖视图如图1所示。该零件的结构设计要求、制造要点及难点分析如下所述。

图1 零件的剖视

1）该零件的材料为M S R R 7115，属于镍基高温合金，具有较高的高温强度和硬度，维氏硬度达到470HV，是一种典型的难加工材料[10]。该零件采用环锻件毛坯进行加工，毛坯尺寸为φ520mm×φ326mm×50mm，零件的毛坯余量大，材料去除率达到90%以上，刀具磨损严重。另外，由于去除大量的材料，截面尺寸和形状变化较大，从而导致内应力释放以及重新分布，引起零件变形。

2）由于内外环不在同一平面且直径相差大，属于悬臂式结构，在进行切削加工时，由于形状过于复杂，在装夹方面存在难度，压紧面处的零件面处于悬空状态，且无法进行有效胀紧（见图2），因此切削加工时易产生装夹变形以及零件振颤，产生较大的零件变形。

图2 切削加工装夹示意

3）此外，在车削壁厚（1.4±0.2）mm尺寸时（见图3），零件支撑面与被加工处距离长，属于悬臂结构，悬臂过长；且零件结构问题导致型面C处无法与夹具完全贴合，造成精车时零件振动、让刀，加工时不断变形，加工完成后，从机床上取下零件，其自由状态平面度0.3～0.4mm，无法满足后续加工要求。

图3 车削壁厚1.4mm示意

4）零件内环端面壁厚为（5.5±0.15）mm，基准平面A的平面度要求≤0.05mm，内环端面相对于基准面A的平行度≤0.05mm，且端面有多处岛屿和通槽，如图4所示。此外，有一处槽口是在内环端面壁厚（5.5±0.15）mm尺寸加工完成后，采用数控铣削加工；但是铣削加工槽口后，基准平面A的平面度由原先的0.03mm变形为0.2～0.35mm，大端直径515mm这个零件面向外张口约0.2mm，这是由于在铣削加工去除槽口后，改变了原先平面的应力分布，导致应力释放，使零件端面产生变形。

图4 内圆端面槽口示意

5）零件的配合面要求喷涂涂层，涂层后的配合面尺寸为φ（430±0.06）mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm。采用磨削加工涂层的方法，但加工时发现因零件壁厚薄和结构复杂，刚度不足，砂轮与零件接触时会产生较大振动，需反复修整砂轮，导致在涂层表面留有振动痕迹，难以满足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。

2.2 工艺性分析

根据薄壁异形环形零件的外形结构、尺寸和精度等级要求，确定其加工工艺路线为：毛坯锻件→车削基准→粗车一端→粗车另一端→粗铣花边→去应力退火→喷涂涂层→修基准→精铣花边→精车一端→精车另一端→钻孔→成品。

零件毛坯为环锻件，在粗加工阶段，安排粗车去除大部分余量，单边留有1mm余量用于精加工。此外，为了减少后期铣削端面花边带来的变形，在粗加工阶段安排了粗铣花边的工序，去除零件端面花边的大部分余量，提前释放加工应力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。在粗加工阶段加工工序共去除约90%的余量。其次，为了降低因切削加工带来的内应力，安排去应力退火工序。在精加工阶段，修复完基准后，先进行端面铣加工，再进行精车加工和钻孔，可保证最终的位置度要求。

3 工艺实施方案

该零件属于薄壁高硬度弱刚度类零件，在精加工时，如果工序设计不合理、装夹方式选择不当均会造成零件振动、弹性变形以及因受力不均产生内应力变形。为了保证在加工过程中零件不产生变形，工艺上主要从合理的工序设计、防变形装夹设计以及高速切削加工技术三个方面进行保证。

3.1 粗加工阶段工艺实施方案

粗加工阶段主要采用数控车床进行车削加工，毛坯尺寸为φ520mm×φ326mm×50mm。由于零件毛坯余量大，硬度高，加工时刀具磨损严重，且使零件产生应力变形，因此车削加工变形控制是零件变形控制的重要环节，若采用切刀快速去除余量，加工后零件自由状态平面度为0.5mm，严重影响后期的加工，需优化车削过程。针对此问题，采用摆线车削的加工方式（见图5），使用球刀，高转速小切削深度进行加工。摆线车削加工是一种高效去除材料的加工方式，采用回环控制嵌入的刀具，轮廓周边产生一个个小圆圈的车刀轨迹，刀具频繁地以圆弧形式切入切出工件，切屑尚未来得及长得足够大就被切断，达到了断屑的目的，以此来避免切削作业时因全刀切入而导致切削材料量增大的问题，这样可以有效减小刀片接触面，能够避免切屑堵塞，同时能有效降低加工时零件的振动以及残余应力[11，12]。

图5 摆线车削示意

另外，因零件材料硬度高，属于难切削加工材料，所以一旦刀具磨损，将产生更大切削应力，造成零件变形加剧。若刀具磨损在精车阶段发生，将产生无法挽救的后果。因此，在粗车阶段，开展试验摸索出合适的加工参数和刀具使用寿命，并将此结果运用在精车阶段，以便及时更换刀具，防止刀具磨损。因切削过程中零件直径不断发生变化，所以使用恒线速度的切削方式更为合理，零件建议切削参数为：切削深度0.3～0.5mm，线速度30～40m/min。在精车阶段可根据零件余量和最终表面粗糙度要求，适当调整切削深度和线速度。

此外，端面在粗车加工完成后，已经达到了新的应力平衡，但端面需要铣削花边，会引起零件变形，影响尺寸精度。为了减少后期铣削端面花边带来的变形，在粗加工阶段安排了粗铣花边的工序，去除零件端面花边的大部分余量，提前释放加工应力，只留下了1mm的余量用于后期精加工。粗加工完成后，对工件进行了去应力正火热处理工序，具体参数为：加热到800～850℃，保温2.0～2.5h后出炉，并在空气中自然冷却。

3.2 精加工阶段工艺实施方案

（1）铣削端面花边后零件变形问题 在零件基准面加工完成后，若先对基准面加工，再进行端面铣削花边，会引起表面残余应力的重新分配，造成薄壁零件变形严重。为此，一方面从工艺上进行改进，先进行精铣花边工序，再进行精车基准面工序。铣削时，因内圆小、安装边有花边和径向孔需要加工，无法采用常规压紧方式。另一方面，从工装结构上进行考虑，设计采用弹性夹紧结构夹具，该夹具能够自动定心同时夹紧零件，并配装与型面贴合的支撑块，在零件外圆进行辅助压紧，可保证零件定位型面与夹具完全贴合，如图6所示。加工时，为消除零件装夹与基准面的误差，进行基准转换，将零件的上端面作为对刀点和程序零点，以此消除零件变形和装夹时产生的偏差。最后，从数控程序上进行变形控制，对于精铣端面花边工序，使用刀心编程方式，配合轮廓编程方式，采用φ10mm合金铣刀进行径向分层高速铣削。与普通切削加工相比，在高速切削加工时工件表面还来不及产生塑性变形，就已经完成切削加工；且大约有90%以上切削热量被切屑带走，使切削热来不及传到工件。铣削端面花边时，选用了最高转速为40000r/min的进口高速加工中心，并对数控程序进行了仿真优化，选择了合理的走刀路线、切削液、切削用量和切削刀具来控制加工变形。

图6 内圆端面槽口装夹及三维模型示意

（2）壁加工引起变形及壁厚不均问题 精车壁厚时，因零件悬臂伸出过长，且零件结构特殊，所以型面与夹具难以完全贴合，导致加工时支撑虚位和振刀的情况，零件自由状态平面度0.3～0.4mm，无法满足最终尺寸要求。为此，壁厚两侧安排在同一工序进行加工（见图3），可防止二次装夹及应力释放导致的壁厚不均匀。另外，为防止加工时零件振动，在半封闭腔体（见图3型面C）内可使用填充物，起到防振功效，从而有效解决了壁厚不均匀和零件表面振刀纹的问题。

（3）涂层表面粗糙度无法满足要求问题 该零件要求在表面喷涂厚度为0.2mm的碳化钨耐磨涂层，最初工艺为磨削，因零件壁厚和结构因素，产生较大振动，在涂层表面留有振动痕迹，难以满足表面粗糙度值Ra＝0.8μm的要求。因此，采用车削代替磨削，使用涂层专用车刀并采用合理的加工参数进行加工。与砂轮磨削相比，车削涂层时接触面积更小，能有效减少零件振动，不再有振纹产生；且无需像砂轮那样反复修正，使加工时间由8h减少为2h。

4 结束语

针对某航空发动机薄壁高硬度异形结构安装环加工过程中易发生变形和振动、表面质量差等问题，通过对其零件的结构特点、加工难点和工艺性进行分析，制定了防变形措施，确定了安装环的加工工艺路线。在粗加工阶段，采用摆线车削加工技术，能快速去除余量，减少刀具磨损，提高效率；且通过增加粗铣工序，提前释放加工应力。在精加工阶段，调整工序，先采用径向分层高速铣削进行精铣花边工序，然后再进行精车基准面工序；并采用弹性膜片结构的胀紧式工装防止零件变形严重；最后采用以车代磨工艺来保证涂层的表面质量和尺寸。为类似高硬度的薄壁异形零件加工提供了参考。