新结构薄壁密封机匣加工技术研究

孙颖

摘 要：某研制发动机变循环方案中介单元体密封机匣是一种全新结构的机匣零件，该零件结构复杂，尺寸精度高，壁薄，没有可借鉴的加工经验。通过对该机匣设计图纸的全面分析，结合现有设备，派制专用工装、刀具，制定出一套合理的加工工艺，以满足设计图纸及装机要求，控制零件变形，解决新结构机匣没有成熟加工工艺的问题。

关键词：密封机匣；变形控制；加工工艺

引言

某研制发动机变循环方案中介单元体密封机匣是一种全新结构的机匣零件，该零件结构复杂，尺寸精度高，壁薄，没有可借鉴的加工经验，需要有工艺性符合的设计图、合理的工艺路线、高效的数控方案、有效的工装方案以及现场问题的快速解决，最终要达到零件所有机加尺寸及技术条件一次加工合格的目的。

一、存在问题

密封机匣属于大型薄壁环形机匣，加工系统稳定性差，零件前端为薄壁回转结构，需安排车加工进行。后端外环有9种，共16处不同结构的径向凸台特征，内环有2种，共3处不均匀布的平面，零件内环车铣转接位置必然存在接刀，但图纸对该位置并未允许接刀。为解决上述问题，需要从工艺方案制定、数控方案制定、工装方案制定几方面着手进行验证。

二、技术方案

（一）工艺路线制定

为保证零件得以顺利加工，安排工艺路线时，需考虑加工系统稳定性、测量方法合理性等方面。因为零件包含回转结构、径向凸台、径向精密孔、端面孔等特征，基于该工艺框架，考虑零件结构、尺寸特点，对上述总体路线进行细化、调整、优化。从余量图出发丰富工艺路线，零件材料采用钛合金锻件标准，需要进行超声波检验和腐蚀检查处理，均需预留足够的余量。与毛料部门协调后，毛料在投料前进行超声波检验，可减少加工余量和生产周期，最终零件余量定为5mm。零件内外环均存在凸台特征，内环车铣加工余量均超过30mm，外环车铣加工余量均超过20mm。为减少精加工时余量，防止因下削量大导致的变形，将车加工、铣加工均分为粗、精加工，并在精加工前送稳定处理消除应力[1]，丰富工艺路线后为：粗车—粗铣—半精车—腐蚀检查—稳定处理—精车—精铣—镗孔。

对工艺路线进一步优化：零件前端为回转结构，不需进行铣加工，因此在粗车后，将形成“前轻后重”的结构，为避免零件质量分布不均而造成的装夹不稳定、加工有风险的情况，需调整前后端的粗加工顺序；零件粗铣后已形成凸台特征，但并未产生角向孔，对后续的加工找正及测量均存在极大问题，因此需在粗铣前增加镗角向孔工序；零件后端直径为精配合尺寸（公差0.09mm），在零件刚性差、易变形的情况下，将精车后端安排至最后一道车加工工序，减少该尺寸超差的风险；将加工过程中去毛刺、修基准等工序安排在合适位置，制定完整的工艺路线。考虑在实际加工过程中，角向孔在精镗端面孔工序修复后，在精铣内型面工序才会起到作用，且两道工序的装夹状态一致，最终合并上述两工序，减少周转和二次装夹时间，缩短加工周期。

（二）数控方案制定

1.内型面粗加工方案

由于零件内型面直径大，因此除立式加工外，还可选用卧式加工方案。

（1）立式加工方案分析。刀具选择：φ40mm玉米铣刀，要求悬长不小于250mm；程序编制：由于径向切削深度为33mm<φ40mm，只需编制一条程序；加工时间：由于刀具悬长过大，加工刚性差，每次进刀量1mm，预计加工时间约8900min。

（2）卧式加工分析。刀具选择：φ20mm合金铣刀，要求悬长不小于33mm；程序编制：大部分使用机床转台转动加工，需编制8条程序加工不同位置；加工时间：刀具悬长小，刚性相对较高，轴向每次步距为10mm，预计时间约5700min。为保证零件加工稳定性，保证质量的同时提高零件加工效率，最终采用卧式加工方案。

2.外型面粗加工方案

零件外型面最初采用常规的分层铣加工。使用刀具端刃部分切削，轴向只需11层刀路。实际加工过程中发现该加工方案效率低，零件外型面共有9段曲面，加工第1段曲面时，实际每层切削时间需40min，共12层，总切削时间480min，消耗φ20mmR1mm铣刀共4把。而其他段曲面位置的下削量约为第1段曲面位置下削量的2倍～3倍，预计还需加工480min／段×8段×2倍＝7680min，还需消耗φ20mmR1mm铣刀4把／段×8段×2倍＝64把。不但加工后的表面质量差，而且严重影响零件加工周期。

为提高零件加工效率和质量，同时减少零件刀具消耗，研究使用先进的摆线铣加工方案进行后续加工。使用φ20mmR1mm铣刀侧刃部分切削，一次加工到位，无需分层，有效利用刀具寿命。虽然每刀下削量小，但切削速度得到极大提高（由F=100mm/min提高至F=500mm/min）。加工方案改进后，剩余曲面实际切削时间约1300min，共消耗φ20mmR1mm刀具15把。且加工后零件表面质量得到了显著的提高。

3.内型面精加工方案

内型面底部位置的 R 圆角为R5mm与R1mm圆角的转接，由于零件深度大，深度超过240mm，且R5mm圓角尺寸小，若派制专用φ10mmR1mm长铣刀，在装夹时可能出现刀具不稳的情况，碰伤零件内壁。

为符合设计图尺寸，同时保证零件质量，确定内型面精加工采用卧式加工，方案如下：

（1）由于加工面为零件内直径，若走刀沿零件轴向进给，将出现残留，加工后表面将出现明显接刀，因此使用φ20mm铣刀卧式沿圆周方向加工，为提高零件加工质量。

（2）为保证零件底部安装边尺寸，并减少接刀，加工内壁时在底部留0.5mm余量，最后使用球铣刀将安装边厚度一次铣加工合格。

（3）为保证零件底部转接圆角加工合格，在生产车间工具室找到一特殊铣刀，刀长超过300mm，可防止加工时刀柄与零件碰撞，对圆角处进行清根，保证零件尺寸。

4.外型面精加工方案

加工外型面时，零件薄壁特征已经出现，首先考虑对称铣加工的可行性，分析零件结构为左右对称、上下不对称的特殊结构。若使用对称铣加工的方式，零件下方受力将与其他位置不一致，可能导致零件在竖直方向变形过大。

5.径向孔加工方案

密封机匣为装配在中介机匣外的结构，因此其径向孔的位置与中介机匣径向孔的位置完全一致，与常规中介机匣径向孔的位置一致，可采用铣加工、倒角、镗孔的顺序进行加工。与中介机匣外环结构不同的是，密封机匣左右与中介机匣主安装节装配处，存在一处密封槽结构。但中介机匣内环也存在类似密封槽，因此可使用中介机匣使用的 T 型铣刀分两层加工。

6.端面孔加工方案

零件前端面孔为均布排列，后端面孔为对称排列，均为常规自由公差，且位置度均为φ0.2mm，可采用常规钻孔加工。

（三）工装方案制定

1.针对设计图难加工尺寸制定专用工装

密封槽外部尖边设计为倒圆角，机匣厂原本无该形状的专用刀具，且设计未同意将此处改为倒角。为减轻该圆角加工难度，派制专用倒圆刀，可同时对正反倒圆进行加工，节省加工时间。

2.针对加工系统稳定性制定专用工装

零件总高约246mm，铣加工外型面时，壁厚在3mm～9mm，装夹压紧位置始终为零件下安装边，加工位置位于零件上方。因此，无论使用常规分层铣加工，还是摆线铣的加工方法，都会在径向对零件产生作用力，从而导致零件向内产生变形。针对零件变形特点，自设专用工装，将工装装配在零件悬空的止口部分，提高零件加工时上半部的刚性，减少零件变形[2]。

三、现场验证

（一）零件粗铣外型面发生刀具断裂现象

零件粗加工外型面时，采用摆线铣的加工方式，加工时刀具发生断裂。

对比其他零件摆线铣程序，分析刀具断裂的原因：第一，由于进给速度与每层切深均经过其他零件的加工验证，因此可排除切削参数的原因； 第二，加工设备为新验收的加工中心，因此可基本排除设备原因导致的刀具断裂；第三，分析密封机匣实际切削状态与其他零件加工验证时的差别，发现密封机匣加工所用的铣刀均为反磨铣刀，表面已不存在涂层，因此刀具强度不够，在加工至底部时发生断裂。制定解决方案：为减少刀具加工至底部时的受力，降低加工至底部时的进给速度至F=50mm/min，可解决零件打刀现象。

后续问题处理：调整进给速度解决断刀现象后，发现零件实际加工时间出现极大增加，不利于零件按时交付，且进给速度改变后，零件底部出现振纹，质量降低。为解决零件加工时间长、质量差的问题，经研究后提出解决方案，在加工位置沿周边开槽，从根本上解决刀具加工至底部受力过大的问题，使零件全刀路高速进给，提高零件加工效率和质量。

（二）铝盘资源紧张，自设工装未回

自设工装直径要求φ910mm，零件加工至外型面前，现场未找到可用的直径大于φ910mm的铝盘，导致零件加工时无法使用自设工装。

由于该自设工装的作用是提高零件加工系统的稳定性，减少零件变形的可能性，因此在上述情况下，为提高加工系统稳定性，寻找额外的8块垫铁及压板，使用16处压紧的方式进行装夹，提高了零件装夹强度，在一定程度上减少了零件加工变形。

（三）型面精铣加工验证

零件型面比较复杂，粗铣之后工艺要求进行腐蚀检查，由于腐蚀检查要求比较严格，外型面表面粗糙度要求至少为Ra3.2，对于此零件外型面加工余量较大，正常粗加工之后很难保证腐蚀检查要求。对零件加工程序进行优化调整，零件粗加工工步使用机夹刀应用对称铣、分层铣等方式控制零件状态并去除大部分余量，留0.3mm余量用于精加工。增加精加工工步使用整体合金铣刀往复加工，并提高残余高度值至0.005mm，以保证零件表面粗糙度，针对局部转接 R 位置增加铣加工程序。控制零件表面质量，保证腐蚀检查工序要求。

分析零件结构及易出现毛、接刀位置，通过优化数控程序，对关键位置、空间狭小、毛刺较多的位置使用球刀沿型面反复加工去除尖边、毛刺、接刀痕，尽可能减少钳工工作，保证零件表面质量。零件型面复杂区域表面质量得到了有效的改善。加工过程中选用加工精度较高且可安装动力弯头的四坐标立卧转换设备进行加工，外型面使用卧式方式进行加工，内型面使用立式配置动力头进行加工，保证内外型面一次装夹加工。

零件端面孔加工精度要求较高，位置度为φ0.03mm，且为多处均布无法整除，普通的循环程序存在较大的累计误差，加工到最后时很难保证φ0.03mm的位置度，而不使用循环程序逐个点位进行加工程序量太大，且容易出现错误，无法满足零件加工需求。改变零件的编程方式，在数控程序中对加工点位引入函数计算公式的方式，点位都是通过精确计算的方式进行选择，每一次循环都进行重新计算，不会造成多次循环后的累计误差，编程效率也得到提高并保证了零件的加工质量及装配要求。

四、试验结论

1.对于难以找正角向的加工特征，应在角向特征出现前，以角向孔或划线的方式确定角向，便于后续加工和测量。

2.对于零件轴向质量差别大的零件，安排工艺路线应尽量保持零件质量大端始终作为定位面。

3.卧式铣加工零件内圆弧时，应沿圆周方向走刀，可提高零件加工后的表面质量。

4.对于薄壁易变形零件，在设计允许限位测量的前提下，精密尺寸应尽量放在工序中提检。

5.由于密封机匣的角向孔在稳定处理后，初次产生作用是精铣内型面，且修复角向孔与精铣内型面的装夹状态一致，因此两个加工内容可以合并加工，减少周转周期。

6.凡是切削深度大、下削量大的粗加工部位，均可嘗试使用摆线铣的方式进行加工。可大幅降低刀具消耗，同时提高加工效率。

7.对于薄壁易变形零件，可自设工装，在加工时卡在刚性差的止口位置，提高零件刚性，从而减少零件变形。

总结

经过现场研制，通过合理协调设计问题、安排工艺路线、优化数控程序、派制非标刀具，保证了零件合格交付。总结了薄壁零件的加工经验，可推广到后续类似零件的研制过程中。零件满足了设计图纸及装机要求，控制了零件变形，合格交付。

参考文献：

[1]唐亚彬.基于有限元分析的薄壁结构件加工变形预测方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2]齐永兴，徐朋，孙卫峰. 薄壁工件装夹稳定性研究[J].机械管理开发。2019（01）：80-82