篦齒盤機械加工變形控制研究

劉峻宇 陳征

摘? 要：篦齒盤是航空發動機的關鍵零件之一，該零件剛性較差，加工變形比較嚴重，具有很高的加工難度。該文通過對零件特點以及變形規律進行分析，依據以往的加工經驗探索加工變形控制方法，分別從工藝路線安排、裝夾方式、數控程序走刀路線以及加工參數等方面進行改進，以達到控制零件變形，提高零件質量的目的。

關鍵詞：加工變形控制;工藝路線;裝夾;數控程序;加工參數

中圖分類號：V23? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

篦齒盤是航空發動機的關鍵零件之一，該零件位于高壓壓氣機后端，由具有兩平面基準的盤類結構與外圓處的篦齒結構組成，在航空發動機中作用有二：一是起到密封作用，減少壓氣機后端的漏氣與壓力損失;二是連接作用，傳遞前后端零組件之間的扭矩。該零件的特點為兩基準平面的平面度與平行度要求高，止口尺寸嚴且跳動要求高，篦齒處結構復雜且齒尖壁厚很薄，盤結構尺寸較大，壁厚較薄。以上特點決定零件剛性較差，加工變形比較嚴重，具有很高的加工難度。

該文通過對零件特點以及變形規律進行分析，依據以往的加工經驗探索加工變形控制方法，分別從工藝路線安排、裝夾方式、數控程序走刀路線以及加工參數等方面進行改進，以達到控制零件變形，提高零件質量的目的。

1 零件結構特點及加工變形情況

篦齒盤零件結構由具有兩平面基準的盤類結構與外圓處的篦齒結構組成，在基準平面上有24個安裝孔，外圓處為斜篦齒結構。零件的主要尺寸以及技術條件為：外圓最大直徑為φ465±0.06，齒尖處寬度為0.25±0.1，基準平面厚度為7.6±0.05，零件內孔尺寸為φ130，內孔直徑尺寸以及三處止口尺寸公差等級為H7，盤心處壁厚為30±0.05，基準A垂直度為0.05，基準B平面度為0.05，另一基準平面、止口、盤心端面以及內孔對基準A、B跳動均為0.05。

在以往的加工中，我們發現該零件的加工難點在于：零件材料穩定性差，且輻板結構長，壁厚薄，加工變形嚴重，導致輻板及盤心至基準面的軸向尺寸超差嚴重，整個零件的變形趨勢為外側整體向小止口一側偏移，且越遠離盤心變形幅度越大。由此導致的零件超差因素為：零件基準面至輻板及盤心端面處軸向尺寸超差，最大可達0.2 mm;盤心端面及內孔圓跳動超差，最大0.05 mm;篦齒結構向基準A一側傾斜，導致篦齒尖直徑尺寸加工不同步，差距可達0.05 mm。

可以看出，零件剛性不足導致的加工變形是尺寸超差的主要原因，嚴重影響了零件質量。因此，我們決定分別針對上述3種變形情況，從工藝路線安排、裝夾方式、數控程序走刀路線以及加工參數等方面進行改進。

2 輻板結構變形的控制方案

根據以往的加工經驗，我們分析出零件輻板處變形是由于零件整體結構剛性不足以及材料穩定性差所導致的，而對于這種加工變形的控制我們主要以工藝路線的合理安排以及裝夾方式的改進為主要手段，輔以控制合適的加工參數以降低零件的加工應力。下面，我們分別從這幾個方面進行探討。

2.1 零件工藝路線的安排

我們知道，合理的工藝路線可以提高零件的加工質量和效率。從零件的結構我們可以看出，零件的基準面處的尺寸和技術條件要求較嚴，為零件的關鍵部位。因此，我們首先將零件基準面加工到位，然后以其作為裝夾基準，進行其余表面的加工。大致工藝路線如下：

毛料→粗車→半精車→車裝夾基準面→車第一面基準→銑螺紋孔→車第二面基準→鉆鏜孔并倒角→精車→標印→檢驗→包裝入庫。

在之前的討論中我們提到兩基準平面和止口無法在同一工序加工，會產生定位誤差以及裝夾變形，對零件的加工質量造成影響。因此我們在2個基準面精加工之間增加了一道銑螺紋孔工序，具體的裝夾方式與作用在下文探討。

2.2 零件裝夾方式的改進

在篦齒盤以往的加工中，在以第一面基準面作為裝夾基準時，我們采用壓板壓緊的方式進行裝夾。在實際的加工中我們發現，由于定位面與壓緊面并不對位，在壓板壓緊時零件會產生變形，達不到預期的目的。這種變形對零件基準面的加工影響很大，是導致基準面跳動要求超差的主要原因。

針對這種情況，我們對車基準裝夾方式進行了如下改進：車完第一面基準后，在零件基準面上鉆或銑加工8個深度為5.5 mm的均布盲孔，并銑加工M8×0.5螺紋;夾具的結構為基準平面上增加通孔，穿過螺釘后直接將零件拉緊在夾具上，然后加工第二面基準。在鉆鉸孔工序再將螺紋孔加工成最終的通孔。

這種裝夾方式利用了零件安裝孔處的余量，不影響零件的最終狀態;而且裝夾后直接將夾具的平面度傳遞到零件上，不存在裝夾結構不合理導致變形的情況。經實際加工驗證，使用這種裝夾方法，零件基準平面度達到了0.01，止口處的變形也成功消除，尺寸均在公差范圍內。

2.3 走刀路線及加工參數的改進

零件車削加工時，車刀的走刀方式與加工參數對零件的表面狀態有非常大的影響。選取的走刀路線及加工參數是否合理，關系到零件的表面及內部的應力狀態，并進一步影響到零件加工尺寸的精確度。不合理的加工參數會導致零件產生很大的加工應力，是零件變形的罪魁禍首之一。在以往的篦齒盤加工中，零件的上刀量、加工參數都是由操作者依據經驗手動調整的，具有很大的不確定性。因此，我們編制了ACE程序，零件的上刀量、加工參數全部固定在數控程序中，確保了零件加工的一致性。

經過幾次試驗后，我們基本確定了合理的走刀方式以及加工參數，并固定在數控程序中。走刀路線為：走刀方向沿盤心向外，切削深度為粗加工0.4 mm，精加工0.2 mm，切削線速度為40 m/min，進給量為0.15 mm/r。實踐證明，以上加工參數在保證加工安全的情況下，提高了加工效率，且切削零件表面狀態良好，取得了很好的加工效果。

3 篦齒結構變形的控制方案

相對于零件輻板處的變形而言，篦齒結構的變形較為規律。上文中我們提到過，篦齒結構的變形情況主要為篦齒尖寬度較理論寬度寬0.05 mm～0.2 mm，且越低的齒尖讓刀現象越嚴重。我們參考以往的加工經驗并分析研究得出，這種變形主要是零件剛性較弱以及刀具磨損共同導致的。

對于這種變形情況，我們通常通過程序控制來消除。篦齒處的數控車加工分為粗車和精車，粗車在外圓面加工出齒形輪廓，并給最終尺寸留出0.25 mm余量，然后由精車形成最終尺寸。我們將粗車余量減少至0.15 mm，以通過減少切削量的方式降低精車時刀具的磨損;再將預變形量添加到精車程序中，也就是在理論尺寸之上偏移變形量，得到新的輪廓，再按該輪廓編制程序。經過2次迭代加工驗證，最終將篦齒齒尖寬度尺寸控制在理想的公差范圍內。

4 結語

通過以上的討論，我們分別針對篦齒盤零件輻板和篦齒處易變形的結構制定了不同的控制方案。經過實際加工驗證，零件易變形部位變形情況均得到控制，所有尺寸均達到合格狀態。由此可得，我們的篦齒盤機械加工變形控制方案合理有效，改善了零件質量，提高了加工效率。此外，在航空發動機零部件中，具有類似材料及結構的零部件不在少數，以上變形控制方案同樣可以擴展到其他零件的機械加工中。

參考文獻

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