高溫合金導(dǎo)管薄壁件變形控制研究

趙紅慶

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

從查閱國外相關(guān)資料并依據(jù)實地參觀交流外企生產(chǎn)加工現(xiàn)場情況來看，長筒類薄壁件的加工、變形及振紋問題依然是一個生產(chǎn)瓶頸。依據(jù)國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)場技術(shù)交流和生產(chǎn)情況來看，長筒類薄壁件的變形和加工振紋問題也不容樂觀。通過技術(shù)交流，也可以了解到與國外情況基本一致，仍然存在該類問題。

該文從實際加工出發(fā)，以航空發(fā)動機渦輪通用材料高溫合金導(dǎo)管薄壁件為研究對象，結(jié)合國內(nèi)加工廠內(nèi)的實際狀況，按零件結(jié)構(gòu)分為深孔加工和外型加工兩類進行研究，提出具有實用價值和實戰(zhàn)經(jīng)驗的解決方案。

1 深孔加工解決方案

在深孔類零件加工的整個系統(tǒng)中，可以大致分為刀桿、工件、機床3 個部分。在這3 個部分中，刀桿是整個系統(tǒng)中剛度最差，產(chǎn)生擾度最大的部件。如圖1 所示，刀頭部位懸長較大，切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，從而影響了深孔的直線度和表面粗糙度。

傳統(tǒng)加工方案對零件進行車削，在刀桿設(shè)計抗振方面考慮欠佳，會在一定程度上產(chǎn)生加工振紋，并且產(chǎn)生不同程度的加工讓刀現(xiàn)象，導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形和尺寸大小不一的問題，且易產(chǎn)生加工振紋。

針對以上加工問題，對零件深孔加工方案進行改進，包括以下2 點：1）增強刀片與刀桿的抗擾程度，減少振動影響。2）考慮零件深孔結(jié)構(gòu)適用于珩磨工藝，先采用優(yōu)化后的新刀具方案進行精鏜，最后用精加工珩磨技術(shù)代替深鏜孔方案，解決了高精度內(nèi)孔加工問題，提高了零件表面粗糙度和尺寸要求。

1.1 深孔新刀具方案

為了解決刀具加工時產(chǎn)生的因刀具與零件切削抗力影響而造成的刀具振動現(xiàn)象，結(jié)合零件內(nèi)孔設(shè)計要求以及刀具加工顫振的原因分析，對精車刀具重新進行設(shè)計，以滿足加工需求，提高零件的加工質(zhì)量。

刀具抗振方面，在刀頭上，需要考慮如何與刀桿進行連接。為了更好地提高定位精度以及車削過程中的剛性，利用三角穩(wěn)定原理，如圖2 及圖3 所示，設(shè)計三點（三孔）定位裝夾方式，提高刀具的整體剛度，以滿足加工要求。

另外，基于刀頭在加工過程中因切削抗力產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，除了三點定位以外，從摩擦力角度出發(fā)，為增強抗振效果，在刀頭與導(dǎo)管配合抗振設(shè)計上，同時在刀桿與刀頭端面上設(shè)計了端面齒形，形成精密配合，避免刀頭在加工中產(chǎn)生顫振現(xiàn)象。圖4 為端面齒形圖。

1.2 珩磨技術(shù)的應(yīng)用

珩磨工序在整個工藝過程中安排在精鏜加工之后，主要考慮在內(nèi)孔精鏜后由于刀桿懸長較大，剛性不足，依然會在零件的內(nèi)孔表面產(chǎn)生一定的表面錐度。基于該情況，在內(nèi)孔精鏜以后，留有一定的余量，單邊控制在0.2 mm 作用，再進行珩磨加工。珩磨加工作為一種高效的磨削方法，可以小余量實現(xiàn)精密加工，保證零件的表面質(zhì)量，避免加工振紋產(chǎn)生。

圖1 深孔加工刀具示意圖

圖2 三角穩(wěn)定受力示意圖

圖3 刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 刀頭端面配合設(shè)計

1.2.1 珩磨參數(shù)的確定

珩磨加工作為一種精密磨削技術(shù)，不宜磨削較大余量的工件。為了保證加工質(zhì)量，需要對加工參數(shù)進行選擇。

珩磨余量的大小取決于孔徑和工件材料。對高溫合金來說，一般珩磨的加工余量為0.05 mm～0.1 mm。加工余量太小不容易保證所有面被全部加工，太大又會影響珩磨的加工質(zhì)量。在珩磨前需要進行的精加工，由于車削刀具在加工過程中會產(chǎn)生一定的磨損和由于刀具剛性產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象，對導(dǎo)管來說，充分考慮以上因素，余量建議控制為0.1 mm 左右。

珩磨頭的轉(zhuǎn)速一般為100 r/min～200 r/min，往返運動的速度一般為15 m/min～20 m/min。對高溫合金來說，磨削轉(zhuǎn)速建議增大，進給速度降低，以保證加工質(zhì)量。

以高溫合金短套筒為試驗加工，確定最佳的加工參數(shù)。設(shè)定在轉(zhuǎn)速n=200 r/min，往返進給速度vm=15 m/min，不同進給量ap 的試驗，油石條為CBN（立方氮化硼）。

圖5 進給量ap 與粗糙度數(shù)值統(tǒng)計

圖5為珩磨進給量與粗糙度關(guān)系的統(tǒng)計曲線。從圖中可以看出，對深孔加工的精密磨削加工，隨著切深ap 的增加，零件的表面粗糙度也隨之增加，同時還會造成較大的徑向切削力。因此對照設(shè)計圖紙粗糙度Ra0.80 要求以及內(nèi)孔配合要求，并且從提高生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，建議選擇ap 不超過0.02 mm，分多次上刀，以保證磨削效果。

1.2.2 方案有效驗證

在短套筒實際加工零件效果上驗證深孔加工方案的可行性，進行了最終表面的粗糙度檢查，如圖6 所示。

粗糙度測量儀的檢測結(jié)果為Ra=0.3～0.4，符合不大于Ra0.8 要求。

2 車銑加工解決方案

對高溫合金導(dǎo)管薄壁件的研制生產(chǎn)，容易在表面產(chǎn)生加工振紋，使零件變形超差，需要分析由于刀具的選擇、參數(shù)匹配不一致以及裝夾方式不合理造成的零件懸空車削帶來的影響。

2.1 偏具與參數(shù)的匹配優(yōu)化

車削外圓型面上主要分為加工外圓直面、度面和外圓槽結(jié)構(gòu)。圖7 為零件簡化外型輪廓。

圖6 100X 電鏡檢查

圖7 外型面結(jié)構(gòu)

外圓直面以及內(nèi)孔加工在零件結(jié)構(gòu)中占據(jù)了較大比例，偏刀是應(yīng)用最大、消耗量最大、影響表面質(zhì)量最為密切的刀具。基于該方面考慮，零件粗加工到最終尺寸之前，按照加工經(jīng)驗，對高溫合金精加工的正常線速度和選擇精加工常用的加工參數(shù)，進行試驗，最終在精加工時，保證零件的加工要求。該章節(jié)只對刀具R大小與加工參數(shù)匹配關(guān)系對零件加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響進行研究，以確定最合適刀具與加工參數(shù)的匹配關(guān)系。

為了減少零件的加工應(yīng)力，采用小余量車削，為了滿足良好的切削效果，刀具需要具備耐磨、重復(fù)定位精度高，抗沖擊等特點。對零件外圓直面和度面的加工，選擇刀片為35°菱形刀片，牌號VNMG160408 IC806 為ISO 國際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)車刀片進行試驗。選擇不同的加工參數(shù)如下：策略設(shè)備為便攜式粗糙度測量儀。

表1 顯示刀具R0.4 條件下，不同切削參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。根據(jù)以上檢測數(shù)據(jù)，采用Origin 軟件進行數(shù)據(jù)采集，得出以下分布。

表1 不同參數(shù)下的Ra 統(tǒng)計（R0．4）

圖8 為R0.4 與進給量f匹配統(tǒng)計關(guān)系圖。從以上數(shù)據(jù)和擬合曲線可以看出，單子參數(shù)固定刀具R尺寸大小，隨著進給量f的變化，粗糙也隨之變化，擬合數(shù)據(jù)曲線成二次函數(shù)分布。基于更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)律，統(tǒng)計出匹配關(guān)系函數(shù)：

Ra≈f2/8R

根據(jù)統(tǒng)計關(guān)系式，在車削加工中，依據(jù)固定刀具R大小，可以理論優(yōu)化計算出切削參數(shù)進給量的大小匹配，具有很好的指導(dǎo)意義。因此，在實際的加工過程依據(jù)參數(shù)選擇，再根據(jù)加工狀況進行適當(dāng)調(diào)整，以滿足加工需要，提高零件的加工質(zhì)量。

表2 顯示了不同刀具R 條件下，相同切削參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。圖9 為擬合統(tǒng)計關(guān)系圖。依據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以看出隨著刀具R增大，表面粗糙度值也隨之下降，也就是說，提高了零件的表面粗糙度。

表2 不同刀具R 的Ra 統(tǒng)計

從理論上進行分析，圖10 為刀具加工零件表面的示意圖，圓形狀代表刀具R大小。從圖中可以看出，當(dāng)進給量f一定時，隨著刀具R的增加，必然會使Rmax減小，也就是兩次刀具軌跡所形成的空間地帶（未被加工區(qū)域）的高度減小，也就是減小了粗糙度值。

總結(jié)以上內(nèi)容，可以得到2 點結(jié)論。1）當(dāng)?shù)毒逺一定時，隨著進給量f的變化，粗糙度也隨之發(fā)生變化。根據(jù)統(tǒng)計關(guān)系得出的刀具R大小與加工參數(shù)的匹配關(guān)系，為實際應(yīng)用當(dāng)中加工參數(shù)的選擇提供了很好的支撐。2）根據(jù)不同刀具R大小分析的對零件表面粗糙度影響的分析，可以看出，隨著刀具R增加，切削表面粗糙度值也隨之降低。

圖8 R0．4 與進給f 匹配關(guān)系

圖9 刀具R 與粗糙度匹配關(guān)系

因此，對導(dǎo)管薄壁件來說，一方面為了減小切削力對零件的影響，提高加工質(zhì)量，減小振紋的產(chǎn)生，提高降低粗糙度值，另一方面又要兼顧加工效率。車削加工過程中，刀具的R 應(yīng)選擇R0.8 大小，進給量f 大約在0.1 mm/r 左右，即可滿足加工要求。

基于高溫合金材料和加工參數(shù)以及刀具R 的匹配關(guān)系，獲得最優(yōu)的刀具選型和加工參數(shù)，對今后高溫合金材料導(dǎo)管薄壁件車削加工提供了指導(dǎo)意義。

圖10 車削表面粗糙度示意圖

2.2 柔性工裝設(shè)計方案

高溫合金薄壁件由于其塑性因素較大，剛性差，加工時夾、壓引起的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度；因夾緊力與支承力的作用點選擇不當(dāng)，會引起附加應(yīng)力，導(dǎo)致零件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，不易恢復(fù)。該文主要對導(dǎo)管外圓精加工的夾具進行重新設(shè)計和研究，并進行應(yīng)用。

2.2.1 柔性夾具方案

根據(jù)零件加工外圓時產(chǎn)生的零件受力大、易變形并且零件剛性差等因素造成的加工振紋、粗糙度大等現(xiàn)象，對夾具方案重新改進和優(yōu)化。改進后的裝夾夾具是利用液性塑料的不可壓縮性， 液性塑料作為傳力介質(zhì)，將壓力均勻地傳給薄壁套筒，并通過套筒的變形來定位和夾緊工件，主要由支架（芯軸）、漲套、堵蓋、漲緊釘以及漲緊內(nèi)六角螺栓組成。改進后的柔性夾具方案如圖11 所示。其工作原理如下：零件裝夾之前，設(shè)計漲套與零件內(nèi)孔為間隙配合，將零件套進漲套，通過扳手將漲緊螺栓向下擰，擠壓漲緊釘，壓縮漲塞膏，實現(xiàn)漲套與零件內(nèi)孔配合，達到漲緊效果，然后再使用壓緊堵蓋與漲緊螺栓螺紋配合，壓緊零件端面，最終靠漲緊螺栓的60°配合設(shè)計，實現(xiàn)頂尖頂緊，保證零件的裝夾穩(wěn)定。

相對于傳統(tǒng)的夾具，改進夾具具有以下3 個優(yōu)點：1）夾具定心的精度高。該夾具設(shè)計利用多個雙階段式薄壁套筒與導(dǎo)管的內(nèi)孔相配合，實現(xiàn)圓柱面接觸，在整個夾具配合接觸的面積中達到90%。2）減小零件的損傷。導(dǎo)管內(nèi)壁與套筒實現(xiàn)圓柱面配合，在整個零件的加工過程中不產(chǎn)生應(yīng)力集中點，不會造成像傳統(tǒng)夾具一樣零件被夾傷的情況，減小零件的額損失。3）定位面受力均勻。由于夾具實現(xiàn)了多個雙階段式套筒與導(dǎo)管內(nèi)壁配合，可以最大程度地保證零件加工部位的支撐效果，受力均勻，減少零件的讓刀現(xiàn)象。

2.2.2 套筒方案設(shè)計

2.2.2.1 套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖11 改進夾具方案

套筒作為柔性夾具中關(guān)鍵的零部件，需要針對性的設(shè)計滿足符合要求的結(jié)構(gòu)和規(guī)格。套筒材料選取常用40Cr 中碳合金鋼，淬火性能好，可以淬硬至HRC45～52。在夾具零部件設(shè)計中，需要提高表面硬度，又希望發(fā)揮40Cr 優(yōu)越的機械性能，常將40Cr 調(diào)質(zhì)后進行表面高頻淬火處理，硬度可達58 HRC～58 HRC，這樣就能得到高的表面硬度，又保持了內(nèi)部好的韌性。40Cr 彈性模量E（20℃） /MPa 200000～211700 ，切變模量G（20℃） /MPa 80800。

導(dǎo)管總長在8 400 mm，考慮單個套筒無法實現(xiàn)漲緊效果，且對較長的薄壁套筒加工難度特別大，因此將配合套筒設(shè)計為5 個雙階段式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)零件與套筒的緊密配合，保證裝夾與定心效果。雙階段套筒結(jié)構(gòu)如圖12 所示。L為有效配合長度，h為套筒壁厚，M及K為固定部位尺寸，D為套筒設(shè)計直徑。當(dāng)套筒直徑D＜150mm 時，薄壁套筒的簡化公式見表3[1]。

表3 套筒尺寸計算簡化公式

套筒結(jié)構(gòu)其余固定部分尺寸選擇見表4。

表4 套筒固定部分尺寸

由設(shè)計圖紙得，導(dǎo)管內(nèi)孔配合尺寸為Φ110（+0.1/0）mm，所以套筒直徑D＜150 mm。又根據(jù)零件配合長度約為750 mm，共分為5 個雙階段套筒結(jié)構(gòu)，因此每個套筒長度L=150 mm ＞d/2=55 mm。

計算根據(jù)上述表中計算簡化公式選取壁厚

h=0.025d

代入D=110

得到：h=2.75

其他固定結(jié)構(gòu)尺寸選取：

M=16 ，K=12

2.2.2.2 套筒配合壓力計算

對柔性配合夾具進行設(shè)計時，必須重點考慮的一個因素是，制造的漲緊套在理論上是否滿足漲緊的需求，避免在實體制造后無法使用的情況。

套筒受力圖如圖13 所示，設(shè)套筒內(nèi)徑為d，外徑為D，套筒內(nèi)徑為Dg，則壁厚h=（D-d）/2。假設(shè)在自由狀態(tài)時，零件與夾具之間為間隙配合，以方便裝夾，則設(shè)套筒外圓與工件內(nèi)孔之間的間隙為△/2。當(dāng)夾具通過一端的漲緊螺釘擠壓漲塞膏時，此時，套筒在壓力的作用下產(chǎn)生變形，圓周均勻變大，假設(shè)當(dāng)壓力達到P1 時，套筒的外圓面與零件的內(nèi)孔剛好接觸，此時的裝配間隙也得以消除，但此時仍沒有對零件進行漲緊作用力。根據(jù)彈性力學(xué)的軸對稱應(yīng)力和位移可知，套筒的應(yīng)力為[2]：

圖12 雙階段套筒結(jié)構(gòu)

圖13 套筒受力圖

套筒的徑向位移：

式中： μ 為套筒材料的泊松比，E 為套筒材料的彈性模量。根據(jù)位移的邊界條件μr=Δ/2 （此時r=D/2）得：

將（2）式常數(shù)項帶入（3）式，得：

由于D-d=2h，D+d ≈2D，所有得

由套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計部分可知，套筒相關(guān)尺寸：

D=110 mm ，h=2.75 mm

得到：

d=D-2h=110-2×2.75=104.5

又知：?=0.02 mm，彈性模量E=200 000 MPa，h=2.75 mm，泊松比：μ=0.3。

套筒受壓力作用產(chǎn)生的彈性變形

δ=P×L/（E×A）

式中：P 為外載荷的大小， P1= 1998002N

L 為套筒的長度，L=150 mm=0.15 m

E 為套筒的彈性模量，取E=200000MPa=2×1011Pa

A 為套筒的面積，A=π×D×L=0.0518 m2

受壓力P 作用產(chǎn)生的彈性變形：

δ= 0.289×10-4m=0.0289 mm

自由狀態(tài)下導(dǎo)管內(nèi)孔與套筒的間隙為?=0.02 mm，可知：

δ= 0.289×10-4m=0.0289mm ≈?=0.02 mm

綜上可知：套筒尺寸設(shè)計及漲緊情況滿足設(shè)計和實際制造使用要求，只需在漲緊過程中施加超過5*P1 的漲緊力。

2.2.2.3 套筒設(shè)計仿真驗證

為了正確合理地驗證設(shè)計的套筒結(jié)構(gòu)以及變形量的正確性，對40Cr 材質(zhì)套筒結(jié)構(gòu)進行仿真驗證，以確保設(shè)計的合理性和正確性。套筒的相關(guān)驗證數(shù)據(jù)如下。

驗證載體：套筒

套筒的長度：L=150 mm=0.15 m

套筒的面積：A=π×D×L=0.0518 m2

套筒外徑：D=110 mm

套筒壁厚：h=2.75 mm

載體材料：40Cr

彈性模量：取E=200000 MPa=2×1011Pa

泊松比：μ=0.3

質(zhì)量密度：ρ=7.9 kg/m2

張力強度：σb=9.8×108Pa

屈服強度：σs=7.5×108Pa

施加壓力：P1=1998002 N

ESTRN：對等應(yīng)變

圖14 套筒受力變形仿真

套筒受力變形仿真模擬結(jié)果如圖14 所示。從仿真的數(shù)據(jù)來看，套筒雙段中間部位產(chǎn)生最大變形，最大的變形量為ε（estrn）=0.02027 mm，設(shè)計的理論變形量δ=0.0289 mm 相差不大，從而可知理論設(shè)計的可行性和正確性。

圖15 表面電鏡檢測

車銑外型方案驗證:為了驗證刀具與參數(shù)匹配合理性以及夾具裝夾方案的可行性，選擇已加工完內(nèi)孔的零件進行裝配車削試驗，同時對車削部位進行同步打表檢測，觀察千分表的振動情況，以達到改善的目的。

檢測跳動結(jié)果：百分表跳動變化基本不大，在均勻發(fā)生跳動，維持在0.005mm 左右，也就是說零件在車削過程中，刀具對其的受力影響比較小，夾具在整個過程中起到了很好的支撐效果，減少了對零件的影響，減少了振紋的產(chǎn)生。從圖15 電鏡檢測微觀形貌可以看出，零件表面只存在正常的橫向加工刀具痕跡，未發(fā)現(xiàn)明顯的弧形振刀紋路。

3 結(jié)語

回顧整個的研究過程，從深孔加工方案以及外型加工方案上詳細論述了刀具的改進，車加工后余量與珩磨參數(shù)的確定和外型加工刀具與參數(shù)的優(yōu)化匹配，柔性夾具方案的設(shè)計，并對各自的方案進行工程化試驗和應(yīng)用，對導(dǎo)管類薄壁件的變形控制和加工振紋的控制起到了很好的作用。