大直徑薄壁鋁機匣加工技術

馮守勝 吳宏春 周曉茜

摘 要：大直徑薄壁鋁機匣類零件在我國屬于首次自主研制，缺乏大量的基礎數據及相關設計、制造經驗，許多關鍵技術領域尚屬空白。對于機匣類零件普遍存在加工變形問題，大直徑薄壁機匣表現得更是尤為突出，甚至成為此類零件加工制造過程中的瓶頸。本文以發動機外環為載體，從機匣變形控制的角度切入，研究、摸索大直徑薄壁鋁機匣的機械加工技術，主要從工藝路線、切削參數以及工藝裝備等3個方面進行研究，闡述控制薄壁件的變形因素及相應的控制措施，最終形成穩定的工藝方案。

關鍵詞：大直徑；薄壁；變形控制

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A

0 引言

隨著發動機設計性能的不斷提高，其機匣的設計精度越來越來高，重量越來越輕，使之機匣的設計結構越來越趨于復雜，加上難加工材料的使用，這給機匣在加工中如何安排工藝路線、如何切削控制變形帶來了極大的難度，特別是壁厚極薄的型面復雜機匣加工、變形量的控制、數控走刀路徑及切削參數優化更是該類零件制造技術提升的關鍵。

1 研究目標

自由狀態下直徑表面跳動1.0max、內表面自由狀態下同軸度0.5 max。

構件類型。該構件毛坯材料為鋁合金鍛件，最大外徑約Ф1800mm、內徑約Ф1700mm、總高約400mm、最薄壁厚約4.0mm，外型面有多處倒喇叭口結構的周向加強筋，該構件屬于大直徑、薄壁類整體環形機匣。

2 試驗

2.1 總體技術方案及其實施過程與效果

2.1.1 機匣結構分析

該構件是整體環形機匣，其典型特征是機匣外型面的兩級雙側倒喇叭口結構的圓周加強筋，這是區別于以往所有機匣的最主要特征。

這一特征限定了其外型面的銑削加工方案，每級加強筋軸向涵蓋區域內，普通端銑刀無法達到加強筋內部區域完成相應位置的加工，僅能使用球銑刀以多分層、高密度、變傾角的刀軌來逐層去除余量。

如圖1所示，外型面的倒喇叭口結構加工區域分為1、2、3、4，其中1、2、3區域加工方案相同，4區域單獨設置加工方案。對4個加工區域而言，首先要分成水平面、豎直面和45°斜面3個子區域。加工時采用φ13球銑刀，對于1、2、33個區域，每個子區域采用單一操作逐漸變化角度的方式即可完成，就整個加工范圍來分析，從T點到E點，其刀軸方向會有約1.5°的微量變化；對于4區域，除45°斜面子區域外，其余兩個子區域內至少要采用兩個操作進行角度變換才能銜接完成，從T點到E點，刀軸方向會有約7°的變化。

同時，該構件屬于大直徑、薄壁鋁合金機匣，其結構決定了切削過程是金屬去除率非常大的加工過程，變形控制是重要的關注點。

2.1.2 機匣變形原因分析

（1）材料

該構件毛坯材料是鍛鋁合金，其高強度鍛鋁在熱態下具有高的可塑性，易于鍛造、沖壓，可以熱處理強化，在淬火及人工時效后的強度與硬鋁相似，工藝性能較好，但有擠壓效應，故縱向和橫向性能有所差異，抗蝕性較好，但有晶間腐蝕和傾向，可切削性能良好。

（2）機加原因

第一，該構件毛料為鋁合金環形鍛件，外型輪廓尺寸為φ1840×φ1670×φ430，金屬去除率為87.5%，屬于大余量的數控切削加工，而且大部分余量去除集中在粗加工工序， 易產生機加應力，在后續加工中不斷地釋放應力、持續的變形，如圖2所示。

第二，工裝夾具也是限制機加工藝的另一因素。對于外環這樣的薄壁機匣，后期的加工剛性較差，加工狀態很不穩定，如果沒有合適的支撐夾具配合切削加工，加工的效果不會很理想，而且會產生一定的顫動，影響構件加工后自由狀態的變形。

第三，工藝路線的安排也會對構件變形造成影響。工藝路線安排的順序不同，構件去除余量的先后順序也就不同，中間工序的加工狀態也會有所不同，所有這些作用在構件的最終質量上，就會影響構件的變形。

2.1.3 機匣變形控制方案

針對影響機匣變形的幾個原因，主要從機加方面有針對性的采取相應措施，最終達到減小變形、控制變形的目的。

（1）工藝路線安排

大部分余量的去除集中在粗加工工序，大范圍的切削發生在車、銑工序，因此工藝路線主要針對車、銑工序，特別是兩道粗車工序，從構件剛性、裝夾穩定性和實際可操作性等方面考慮，在兩道粗車工序之前，增加了一道車工藝邊工序，這樣增加了后續粗車工序構件裝夾的穩定性，保證構件可靠壓緊固定。同時還要考慮兩粗車工序的加工順序、去除余量的先后，使工序的剛性增加。

針對該構件的主要工藝路線為：車工藝邊—粗車前、后端 —粗鏜定位孔—粗銑外型—半精車前、后端—精鏜定位孔—精銑外型—精車前后端—銑平面及鉆鏜徑向孔—鉆鏜端面孔 。

（2）工藝參數、設備選擇

構件壁薄、剛性差，導致加工過程存在很大切削力和變形現象，使高精型面難以保證，還須從切削參數上優化細化。

粗車工序，加工設備為普通立車， n=35r/min～50r/min，f=0.2r/min～0.3mm/r，ap≤2.0mm。

半精車及精車工序，加工設備為數控立車，工作臺直徑φ2.25m，參數見表1。

所有銑加工工序，加工設備為五坐標立式斜擺頭加工中心、工作臺φ2.6m×2.2m、加工空間容積15200dm2，參數見表2。

（3）裝夾、支承方案

薄壁類機匣具有直徑大、壁厚薄、剛性差等特點，在車、銑、鉆加工中非常容易變形，使構件嚴重超差，為解決這一問題，采用帶有輔助支撐結構的夾具（圖3），使構件在加工中不震動，從而提高了構件的加工精度。

輔助支撐支撐在構件相對最薄弱的部位，再采用一個自適應的加緊機構來輔助構件減少震動。

采取橡膠圈減震機構和自適件，自適應可調機構通過轉動球可隨意根據構件高低不同來夾緊構件，使構件牢固不震動。

采用實心圓弧面支撐塊、多層，可極大地提高輔助支撐作用。實心圓弧面支撐塊可以承受加工中很大的切削作用力，可起到增強構件剛性的作用。

輔助支撐操縱機構，采用快換方式，可同時實現內外支撐和加工，提高加工效率及精度。

（4）自然時效

基于不同時間長度對各臺份粗車后進行自然時效，以彌補熱時效的作用，力求釋放粗車工序給構件內部帶來的機加應力。提前釋放構件的機加應力，可以極大地改善構件后續加工的狀態，避免應力在加工過程中釋放而加劇構件變形，影響構件質量。

2.2 達到的技術指標

第一，掌握適合大直徑薄壁鋁合金機匣數控加工的較為完善、穩定的工藝路線安排，可以滿足批量生產的要求。

第二，形成一套高效加工的數控程序，包括每個工序的加工策略的制定、加工刀具和加工參數的選擇等，特別是針對外環外型面獨特的倒喇叭口結構的銑削加工方案，整個過程非常成熟和流暢。

第三，掌握工裝夾具對于此類構件加工的輔助作用，包括加工前的裝夾支撐方案、構件找正要點，還有夾具定位方案設計、支撐方案設計等對于構件加工的影響。

第四，掌握非冷工藝安排對于機加質量的影響，可以合理的在加工過程中安排時效處理來彌補冷加工自身的缺陷。

第五，就該種材料構件的加工時間和刀具消耗而言，整個過程已處于高效的切削狀態，單臺份刀具消耗量極少，沒有明顯變化。

最后，按照此套工藝方案加工3臺份，完成方案的驗證。

2.3 結果與分析

第一，對于類似于外環的大直徑薄壁鋁合金機匣構件，金屬去除率特別大，而且非常集中，因此在制定工藝路線時，要在金屬去除率最大的粗加工工序之后，增加時效工序，給予構件充分的釋放應力過程。

第二，在粗加工和半精加工階段，加工前的找正要采取“多點對點找正”的方式，這樣不僅可以降低找正難度，而且可以使構件在自由狀態（或接近自由狀態）下完成加工，去除前面工序的橢圓部分，最終逐漸形成較好的自由狀態圓度。

第三，對于鋁合金構件的大余量切削，要采用小切深、大進給的方式，這樣可以減小加工過程中構件與刀具之間的作用力，從而減小構件變形。

第四，對于鋁合金這樣剛性較差的構件而言，在安排路線時要格外注意每個工序的剛性和所有工序的剛性總和，必要時采用可靠的輔助支撐夾具增加構件剛性，以保證加工過程的平穩性。

參考文獻

[1]王愛玲，等.機匣制造技術[M].北京：國防工業出版社，1993.

[2]王世敬.機械制造技術[M].北京：中國石油大學出版社，2009.