新材料導葉內環加工工藝研究

李中生 王 海 于新峰 于 鯤

（1．空裝駐沈陽地區第二軍代表室，遼寧 沈陽 110043；2．中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

隨著航空發動機技術的不斷進步，該領域對發動機性能以及各級零組件的要求也隨之提高。傳統導葉內環為前半、后半對開結構，釬焊蜂窩后通過螺栓裝配形成，在加工過程中存在釬焊后硬度下降、加工過程中容易變形、精密尺寸公差難以保證以及裝配結構重量大且存在漏氣風險等問題。

為了解決上述問題，滿足零件的加工需求，研究人員積極探索新材料的加工技術方案。但是由于一體導葉內環結構復雜，且新材料成熟度較低，因此存在成形尺寸和某些性能不穩定以及加工參數處于摸索階段等問題。

1 零件分析

某型號導葉內環是采用新材料壓鑄成型的，屬于鈦合金環形件，對尺寸和技術有很嚴格的要求。該材料基體強度高，高溫性能優異，比重僅為高溫合金的50%～60%，是1種具有良好應用前景的高溫結構材料。

傳統導葉內環結構簡單，精密尺寸少，主要考慮焊接后零件變形的問題。該零件采用新材料，其結構為一體結構，如圖1所示，與同類型零件的前、后半結構不同，該零件的整體性有所提升，但是由于該結構裝配型面多、精密尺寸多且對形位公差有非常嚴格的要求，因此主要考慮加工風險和控制變形風險。

從上述分析可知，該零件的結構復雜，涉及多處精密尺寸、精密孔和小孔徑斜孔，加工難度較大，為了保證零件的成功交付，需要從設計圖紙、工藝方案、工裝方案和數控方案等方面考慮零件的全加工過程。

要保證新材料導葉內環的合格交付，就需要考慮加工過程中變形的控制，從而保證零件的尺寸合格。因此分別從裝夾、加工、檢測和切削性能對零件進行驗證。

圖1 某型號導葉內環

2 加工驗證

2.1 專用夾具驗證

2.1.1 零件結構分析

從工藝性角度對新材料導葉內環的結構進行分析，主要考慮加工過程中零件裝夾和找正的需求，結合對零件加工尺寸精密性、加工連續性的考慮，可以對可預見的問題進行梳理；主要包括零件前端和后端定位面過小、存在高度差無法直接定位、零件內外圓無壓緊位置以及加工過程中刀具與壓板干涉等問題。

2.1.2 工藝路線制定

基于設計圖紙要求的尺寸，并結合機匣零件變形控制經驗，確定零件加工的工藝余量分布，選擇加工零件的設備，制定新材料導葉內環的工藝路線并編制適合新材料導葉內環現場加工的工藝規程，如圖2所示。

2.1.3 毛料需求

為了滿足零件粗加工、半精加工過程中的裝夾、定位需求，需要在原有毛料基礎上預留工藝邊，從而滿足精加工零件的裝夾需求，保證零件的精密尺寸和形位公差。

2.1.4 加工過程結構分析

通過毛料預留工藝邊，可以減少設計、制造零件粗車、半精車以及精車后端3個工序專用工裝的工作量，但在零件進行精車后端和銑徑向孔加工的時候，就會面臨零件定位面過小、找正困難、存在變形風險以及裝夾位置與刀軸干涉等問題，為了解決上述問題，研究人員設計了專用夾具。

2.1.5 專用夾具效果評價

專用夾具解決了零件加工過程中的裝夾問題，提高了零件裝夾的穩定性。加工后，零件端面跳動沒有變化，圓周跳動僅變化了0.01 mm（由0.03 mm變化至0.04 mm），符合工藝加工的要求，也保證了零件的尺寸及形位公差。

2.2 新結構刀具驗證

2.2.1 加工型面分析

對設計圖紙中零件的結構、尺寸進行梳理。在導葉內環的前后端、內側和外側共存在4個裝配用半環形槽，尺寸均為Φ2.5（+0.1，0）mm，該尺寸通過車加工保證，但是常用車加工刀片難以滿足要求，需要派制專用刀片，同時考慮在加工后端時，存在型腔較小的情況，因此需要派制L型專用刀桿。

圖2 工藝路線

零件外圓存在21處徑向均布臺階孔，需要加工中心對其進行臥式加工。在加工零件的徑向孔時，要使用壓板壓緊G面，普通刀具懸長難以達到設計圖紙要求的孔深，普通銑刀刃長也難以滿足相關要求，因此使用加長銑刀。

零件前端面45處均布Φ4 mm的斜孔，加工斜孔時需要翻轉工作臺，由于零件結構的限制，該孔深大于25 mm，因此加工時還需要避讓干涉部位，普通刀具、刀桿懸長難以滿足要求，需要使用加長刀桿完成相關操作。

2.2.2 車加工刀具驗證

針對型面結構設計、制造專用刀桿和刀片，如圖3所示，保證能夠加工合格的尺寸為Φ2.5 mm的裝配型面。

2.2.3 銑加工刀具驗證

圖3 L型車刀

在加工徑向孔時，為了避免零件、壓板與刀柄之間的干涉，選用加長銑刀，避開干涉部位，完成對零件的加工；同時選擇螺旋銑完成加工操作，可以減少加工應力，延長刀具的壽命，保證零件加工的過程不會出現問題。加工斜孔時，零件與刀柄存在干涉，如果選用剛性差、長徑比大的加長刀具就難以完成對斜孔的加工，因此選擇“階梯式”銑刀刀柄（如圖4所示），可以解決干涉和刀具剛性差的問題。

2.3 先進加工技術驗證

2.3.1 數控方案制定

該零件的材料塑性較差，約為鈦合金的1/10。零件的加工難點主要包括車加工精密尺寸、精密徑向臺階孔。因此，主要從車加工控制變形、徑向精密臺階孔以及小徑斜孔的加工方面制定數控方案[1]。

由車加工形成整體的外型輪廓，精密尺寸較多，需要多次車加工保證零件的尺寸，在加工零件的過程中，存在材料去除量大、加工應力大以及容易變形等問題，保證精密尺寸存在困難。在精車前端工序中，可以采用分層車加工去除大余量。

徑向臺階孔直徑尺寸大，如果選用傳統的打點-鉆孔-擴孔-鉸孔的加工方式，就會因加工參數選擇不當而造成零件受力不均，從而影響零件的質量。因此，選擇了加工應力較低的方式—高速螺旋銑加工。

2.3.2 分層車加工方案驗證

傳統車加工存在切深和加工參數不固定等問題，加工過程中應力不均勻，零件易變形。為了減少加工應力，研究人員通過固定切深（0.3 mm）來固化加工參數；通過分層車加工實現車加工的無人干預。經過驗證，該方法減少了20次人工干預，也減少了零件的加工變形，車加工零件尺寸合格，技術條件合格，圓周跳動0.02 mm。

圖4 階梯式銑刀刀柄

2.3.3 高速螺旋銑孔加工方案驗證

相比較傳統鉆孔工藝，螺旋銑采用了全新的加工方式。在螺旋銑孔加工過程中由主軸的“自轉”和圍繞主軸繞孔中心的螺旋進給2種運動組合而成。它具有以下3點優勢：1） 與傳統加工的運動軌跡（直線）不同，該加工過程中刀具中心的運動軌跡是螺旋線，可以達到用1把刀具加工多種直徑孔的目的，提高了加工效率。2） 螺旋銑孔加工過程是一個斷續銑削的過程，能夠使刀具快速散熱，進而降低刀具因溫度累計過高而造成磨損失效的風險。3） 偏心加工的加工方式可以保留足夠的空間使切屑從孔槽排出，降低排屑方式對孔質量的影響[2]。

結合現場實際情況，硬質合金刀具加工高溫合金材料的銑削速度可以達到40 m/min，使用直徑為Ф16 mm的銑刀，轉速為600 r/min；結合現場現有的螺旋銑參數，進給試驗范圍設計為80 mm/min。

根據計算公式，T=加工厚度/（π×（加工直徑-刀具直徑）×tan（3 °～5 °）），可以算出理論分層數，例如使用Ф6 mm銑刀加工Ф8 mm孔，加工厚度為5 mm，加工傾角取5 °，則理論分層數為16層。

加工前找正零件，圓周跳動0.02 mm，加工后零件圓周跳動0.03 mm，徑向尺寸全部合格。驗證時采用高速銑削加工零件，轉速上升，刀具消耗降低，加工時間減少了90 min，效率提升了37.5%。

2.4 新材料加工參數試驗

2.4.1 加工參數試驗方案制定

結合工藝路線和加工內容，零件以車削加工為主，車削主要使用常見的R0.8偏刀和R2球刀，粗精加工有序分布，加工部位也以非常典型的內外圓、端面居多，具備較好的試驗條件，因此車削加工以分組試驗的方式采集加工數據，并對采集的數據進行分析。

銑削加工的工序較少，加工余量有限，主要加工位置為端面槽、端面孔和徑向孔，加工刀具包括端銑刀、鉆頭和鏜刀等。

從現場的實際應用出發，優先探索加工時存在的3個主要控制變量（切削速度（轉速）、進給量和切削深度）。盡可能地降低其他因素的影響，從而凸顯新材料在不同加工參數組合中的表現。

綜上所述，車削以R0.8、R2硬質合金涂層刀片完成加工，通過應用不同參數組合、記錄切削狀態度相關數據進行分析；銑削加工以保守加工、總結加工參數的方式進行試驗。

2.4.2 金屬切削的基本參數

在零件加工過程中，切削參數的選擇對零件加工質量、加工效率有非常大的影響。金屬切削中包括的切削參數見表1。

表1 金屬切削參數

2.4.3 試驗參數選取范圍

以高溫合金常用的切削參數為參考，以n=15 r/min～30 r/min，f=0.1 mm/r～0.3 mm/r以及ap=0.2 mm～0.4 mm為出發點[3]，適當向“高點”拓展范圍，同時在較穩妥的“低點”范圍增加數據采集的密度。

2.4.4 效果評價

影響切削過程的因素有很多，例如切削力、切削熱、材料、切削用量、刀具規格、切削連續性、振動、冷卻、潤滑、刀具磨損積屑以及偶發意外等，觀察和測量變量的難度較大，實際操作效率很低或者根本不具備觀測條件。

需要1種或幾種能夠直觀觀察、直接表征切削過程優劣程度且方便對比分析的特征作為觀測量，從而用該特征記錄不同切削過程的優劣程度。

通過調整加工參數并對不同加工效果進行對比，試驗得出材料去除率對零件加工質量的影響，總結出1套量化質量與效率系數的方法，見表2。

表2 評價效果

取得1、2級質量系數時，不同切深所需要的切削速度和進給量如下：1） 切深為0.2 mm以下時，可以選擇的進給范圍為0.1 mm/r～0.3 mm/r，切深、進給增大時切削速度必須降低。2） 切深為0.3 mm以上時，進給不能大于0.3 mm。3） 切深為0.3 mm以上時，切削速度不大于55 m/min。

取得3級以上質量系數、3級以上效率系數時，不同切深所需要的切削速度和進給量如下：1） 當切深為0.2 mm時，進給不低于0.2 mm/r。2）進給主要在0.1 mm/r～0.4 mm/r，且隨切深、進給的增大，切削速逐漸降低。3） 切削速度一般不低于35 m/min，當切深在0.3 mm以下時，切削速度可以達到60 m/min以上。4） 參數的基本范圍。切深的范圍是0.2 mm～0.5 mm，進給的范圍是0.2 mm/r～0.3 mm/r，切削速度的范圍是35 mm ～65 mm（切深大于0.3 mm時，切削速度大幅降低）。

3 結論

根據實驗得出以下結論：1） 針對新材料導葉內環的材料特點，制定合理的工藝路線、合理的余量分配以及對關鍵尺寸和關鍵技術條件的加工方案，形成適合新材料導葉內環現場加工的工藝規程。為同類型零件的工藝路線及余量安排開辟新道路。2） 針對新材料開展切削車削、銑削切削參數優化試驗，對重點工序進行工藝參數試驗研究，確定合理的工藝參數，總結出1個較為經濟、合理的機加切削方案。