薄壁環形零件車削變形控制研究

孫要兵 柏 慧 張 俊 楊英平 趙宇平

1.中國航發南方工業有限公司 湖南株洲 412002 2.湖南湘電動力有限公司 湖南湘潭 411201

1 研究背景

薄壁環形零件具有質量輕、推重比高、節約材料、結構緊湊等優點,在航空發動機領域中得到了廣泛應用[1]。在航空制造業中,薄壁環形零件主要通過車削加工而成,材料去除率一般在90%以上[2]。由于壁薄、剛性差的特點,薄壁環形零件在加工過程中極易產生變形,造成結構尺寸超差、內應力集中等缺陷[3-4],在航空發動機領域的應用受到嚴重限制[5-6]。目前,航空類薄壁環形零件正在向極薄化、大尺寸化、復雜化、高精度發展[7]?？刂票”诹慵囅鬟^程中的變形,已經成為航空發動機零件加工工藝研究的熱點。

傳統薄壁環形零件的加工方法有預應力車削法、熨平切削法、內腔填充法等,其中,內腔填充法在航空工業中應用最為廣泛。采用內腔填充法,在生產過程中首先將零件內型面加工到位,然后對零件內腔填充石蠟或低熔點合金,最后將零件外型面尺寸加工到位。這一方法工藝流程長,填充過程復雜,填充后內部尺寸無法實時測量,加工一致性差。筆者通過對薄壁環形零件車削過程中的變形進行分析,結合薄壁環形零件車削加工經驗,提出分層車削和分段車削相結合的新工藝。在典型薄壁環形零件上進行車削新工藝試驗,驗證了新工藝的可行性和合理性。

2 薄壁環形零件車削變形分析

薄壁環形零件車削過程中,應力主要由毛坯殘余應力和車削應力兩部分組成。毛坯殘余應力由鍛造、鑄造過程中材料各部分冷卻速度不同,收縮不一致引起,與毛坯材料的初始成型有關。車削應力由加工過程中刀具對工件表層金屬的機械力作用、車削熱量,以及里層金屬的彈性恢復等各種因素綜合形成。在車削過程中,產生車削應力的同時伴隨零件殘余應力的釋放,兩部分應力的作用使零件產生加工變形[8-10]。因此,合理選擇車削路徑與車削余量是提高薄壁環形零件加工質量的關鍵。當然,在薄壁環形零件車削過程中,隨著車削余量不斷減小,零件剛性不斷降低,零件易產生較大變形。因此,提高薄壁環形零件車削過程中的剛性,減小加工過程中殘余應力、車削應力對零件變形的影響,是薄壁環形零件加工的要點。

3 薄壁環形零件車削變形控制新工藝

車削過程中保證薄壁環形零件殘余應力與車削應力耦合效果的平衡,可以使零件受力均衡,減小零件變形。筆者采用分層車削方法,對零件徑向分層車削,促使殘余應力逐步釋放。在分層車削的同時,對稱車削零件的內外表面,保證零件內外表面殘余應力釋放基本均衡,從而達到殘余應力與車削應力耦合的平衡,確保零件加工應力釋放平穩,變形小。

在薄壁環形零件車削過程中,隨著車削余量的不斷減小,零件的剛性逐漸降低。特別是在精加工階段,零件加工余量基本去除,零件壁薄,整體剛性較低。為了提高車削過程中薄壁環形零件的局部剛性,可以對零件軸向加工順序進行階梯分段。分段原則是根據零件加工部分與裝夾位置的距離,分段依次加工。裝夾支撐處附近的加工余量最后去除,保證零件加工過程中剛性可靠。薄壁環形零件階梯分段法示意圖如圖1所示。將車削過程分為四段,第一段尺寸精加工到位后再加工第二段,然后依次加工第三、第四段,始終保證零件裝夾支撐處剛性較高。在每段加工過程中采用內外分層切削,逐層對稱去除加工余量。

▲圖1 薄壁環形零件階梯分段法

4 典型加工案例

某航空發動機火焰筒外環為典型高精度變截面薄壁環形零件。零件直徑達600 mm,高為150 mm,型面壁厚僅為0.8 mm。零件圓度要求不大于φ0.1 mm,上下端外圓同軸度為φ0.08 mm,端面對中心軸垂直度為0.1 mm。

該火焰筒外環加工示意圖如圖2所示。

▲圖2 火焰筒外環加工示意圖

通過分層車削和分段車削方法,將火焰筒外環精加工分為四個階段。首先加工第一段端面余量及內外兩層余量,再進行窄槽加工。第一段加工示意圖如圖3所示。為減小切削變形,零件內外型面的車削宜采用刃傾角、前角較大的35°車刀,并及時更換刀尖,確保加工過程中刀具鋒利。待第一段加工到位后,再依次進行第二、第三、第四段加工。

▲圖3 第一段加工示意圖

對比火焰筒外環內腔填充法加工與分層車削分段車削相結合加工,加工尺寸精度對比見表1。

表1 火焰筒外環加工尺寸精度對比

分析表1數據可知:采用內腔填充法,零件加工周期長,加工變形大,尺寸超差明顯;采用分層車削分段車削相結合新工藝后,零件加工時間縮短62.5%,零件加工質量大為改善,尺寸精度均符合圖紙要求,且加工一致性較好,完全滿足火焰筒外環加工精度要求。

5 結束語

筆者對薄壁環形零件車削變形控制進行研究,采用分層車削和分段車削相結合的新工藝,成功解決了某航空發動機火焰筒外環零件加工變形大的問題。通過研究確認,這一新工藝加工效率高,質量穩定,適合批量生產。

新工藝為薄壁環形零件的加工提供了新的方法,在某航空發動機火焰筒外環加工中成功應用,為薄壁環形零件加工提供了重要的實踐經驗,具有較好的推廣應用價值。