外環塊類零件加工策略研究

摘 要：在各型號發動機中，都有一定數量的渦輪環塊類零件，環塊類零件結構復雜，加工難度大。目前，各型發動機均已嘗試渦輪環塊類零件的加工，新型發動機中的環塊類零件結構與原型類似零件相比，不僅壁更薄，精度要求更高，結構也更加復雜。現以某型號典型外環五級轉子外環底板為載體，從控制外環塊切斷前變形為出發點，分析影響薄壁環件變形的主要環節，找出影響環件變形的因素，制定工藝措施，控制外環塊切斷前的變形，為薄壁鍛件類外環塊零件的加工摸索出合理的工藝路線、加工方案。

關鍵詞：薄壁環塊；變形；控制措施；工藝方案

1 概述

現新型渦輪外環塊采用了一種新材料鑄造件（K465）。由于外環塊類零件精度要求高，為大直徑薄壁環塊零件，整環加工存在變形，加工中容易產生震顫等，切斷為段后再次產生變形。加工裝夾時存在無壓緊面、裝夾困難，需制作一定的工裝夾具以滿足加工要求，但在新機研制中派制專用夾具影響加工周期又浪費，有必要進行外環塊類零件加工策略研究，制定合理的加工方案、工藝路線及采用預留各種定位安裝邊結構方式，以解決新結構渦輪外環塊零件的加工并減少切斷前零件變形。

2 研究內容或試驗

2.1 零件的結構特點

渦輪外環塊類零件設計結構分為環塊內表面焊蜂窩、環塊內表面噴粉末涂層兩種結構形式。一～五級轉子外環底板結構特點為尺寸全部加工完成后，內表面焊接蜂窩形成組合件。

一～五級轉子外環底板零件最大外徑在Ф868～Ф1088.6mm之間，一級轉子外環底板直徑最小，五級轉子外環底板直徑最大，外環材料均為GH536，零件結構見圖1。

2.2 影響轉子外環變形因素分析

分析零件的結構特點、機加過程，存在以下幾方面因素影響外環變形：

2.2.1 材料去除量大。五級轉子外環底板毛料為鍛件，毛料為圓柱環結構，外徑：Ф1099±1mm，內徑：Ф1033±1mm，精車后最小壁厚僅為1.2mm。材料去除量大，內表面最大毛料去除量為35.5mm，粗加工時切削力大，雖然在粗加工后安排了去應力熱處理，去除了一部分內應力，仍然不能充分去除毛坯材料應力和加工應力，半精車后又進行車槽、銑減重槽等加工，銑減重槽時的加工余量有3.5mm，去除量仍然很大，車銑型槽后產生了二次加工內應力蓄積在零件內部，經過線切割分段后，加工應力釋放，環塊變形。

2.2.2 系統剛性弱，加工過程易產生變形和讓刀現象。五級轉子外環底板尺寸大、壁薄，精車車削時系統剛性差，加工時存在讓刀、振動等現象。若車削夾具僅采用簡單的止口定位、壓板夾緊結構，只能起到簡單定位、壓緊作用，沒能增加切削系統剛性，加工后零件將產生變形，裝夾方式也是造成零件變形的因素。

2.2.3 切削走刀路徑的安排。零件大端正、反端面均有環槽，精車時應合理安排切削走刀路徑，若切削走刀路徑不合理，將影響零件切削加工后內部殘余應力的狀態，使應力釋放后，零件變形增大。

3 工藝試驗

3.1 工藝路線安排

根據上述分析結果，結合薄壁環形件的加工模式，五級轉子外環底板工藝路線安排如下（其余一～四級轉子外環底板主要工序工藝路線相同）：毛料——粗車一端——粗車另一端——穩定處理——修基準——半精車一端——半精車另一端——精車一端——銑加工半圓槽及鉆孔——去毛刺——精車另一端——銑加工小端面槽——去毛刺——洗滌——中間檢驗——線切割——去重熔層——洗滌——終檢

3.2 關鍵工序分析

精車一端工序加工內容見圖2（為加粗輪廓線），機加后徑向壁厚僅有1.4mm，內孔及外圓對基準面均要求跳動0.05，同時需加工出正、反兩處環槽，工序加工余量為1mm（環槽處除外），工序加工表面多，是形成最終型面的工序。本工序減少變形的關鍵是切削走刀路徑的安排。實際加工選用數控設備，在意大利立車（PIETRO）上進行。加工去除內表面和外表面余量時，采用分層均衡去除余量的方式，并采用對稱去除內、外加工余量的方式；切削相鄰的表面時采用相對或向背的走刀方向，精車一端實際切削走刀路徑見圖2。為防止車環槽后外側搭頭，將內、外徑及端面各留有0.1mm的加工余量，加工完上表面環槽后，先加工根部⑨，再按走刀路徑規定方向加工部位⑩，最后再按規定的走刀路徑去除內、外表面0.1mm的加工余量，可達到減少變形的最佳效果。

精車另一端工序加工內容見圖3（為加粗輪廓線），機加前徑向壁厚僅有1.4mm，壁厚薄，現內型面已加工完成，因零件的橢圓變形，本工序加工難點為保證與已加工面的尺寸1.2±0.07（序號⑨）。為使零件達到一理想狀態后再車加工，應使用帶有徑向輔助支撐的夾具支撐內表面D，且夾具支撐面的高度應達到零件軸向高度的三分之二。系統剛性增加的同時消除零件橢圓變形，按此狀態車加工零件，加工后可滿足1.2±0.07的尺寸公差要求。銑加工小端面槽工序即銑減重槽時也應采用同樣的支撐裝夾方式，以保證減重槽尺寸公差。

4 結束語

外環塊類零件加工研究選擇了五級轉子外環底板為典型件，通過對其工藝規程的優化、走刀路徑的優化研究，帶有徑向輔助支撐的夾具使用，對粗加工及半精加工過程的控制，變形狀態達到了預期的效果。新型渦輪外環塊采用了一種新材料K465（鑄造環塊），針對K465材料硬，難切削加工的特點，通過對工藝路線進行改進，工藝規程中增加線切割內圓及線切割外圓工序，去除大部分環塊加工余量，留有小余量后再進行車削加工，以提高加工效率，降低刀具成本。