淺談提高某環(huán)形機(jī)匣合格率的方法

陳亞莉 于新峰 王 婷

（1.空裝駐沈陽地區(qū)第二軍代表室，遼寧 沈陽 110043；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

某環(huán)形機(jī)匣零件采用某鎳基高溫合金材料鍛造形成，具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，650℃下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金首位。該薄壁零件在以往的加工結(jié)果中，自由狀態(tài)下后端精密孔位置度可達(dá)0.42mm。該研究旨在尋找合理有效的加工方法，確定切實可行的工藝路線，在152mm高度下保證前后端同軸度。

1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

某環(huán)形機(jī)匣屬于高溫合金鍛造環(huán)形機(jī)匣，該零件相比前一狀態(tài)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，三維模型如圖1所示，其最大直徑Ф938mm、最小直徑Ф818mm、高度152.5mm、壁厚2mm，屬于典型薄壁環(huán)形機(jī)匣，直徑公差0.056mm，前后端精密孔位置度0.02mm/0.03mm，外圓存在1處孔探儀安裝座和8處引氣管安裝座。該類型機(jī)匣零件在以往的加工中，自由狀態(tài)下后端精密孔位置度可達(dá)0.42mm，如何規(guī)劃合理的工藝路線和優(yōu)化工藝方法保證零件后端精密孔的位置度，是該研究的重點。

圖1 某環(huán)形機(jī)匣零件三維模型

該研究從工藝路線、工裝結(jié)構(gòu)、加工刀具和走刀路線等方面著手，探索出保證該零件精密孔位置度合格的加工方法。

2 問題分析

該環(huán)形機(jī)匣材料硬度大、自身剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺少相關(guān)加工經(jīng)驗，同時該零件需求量較大，加工周期緊張。

3 技術(shù)方案驗證

3.1 設(shè)計協(xié)同階段

根據(jù)設(shè)計圖紙，繪制氣球圖，用于后續(xù)零件結(jié)構(gòu)特點及加工難點分析。通過對零件設(shè)計圖紙的解讀，查找相關(guān)加工難點及風(fēng)險點如下：1）加工時因壁厚薄，銑加工時徑向力大易導(dǎo)致零件變形，因此須派制帶輔助支撐的專用工裝，減少銑加工帶來的應(yīng)力變形[1]，同時采用先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)降低銑加工變形影響。 2）零件材料硬度大，現(xiàn)有刀具加工困難。零件材料為鍛造高溫合金，其機(jī)械加工性能差，刀具易崩刃，且易與合金中的元素發(fā)生反應(yīng)，為保證零件能順利生產(chǎn)，需要進(jìn)行不同廠家、不同規(guī)格、不同材質(zhì)的刀具試驗。3）部分尺寸結(jié)構(gòu)特殊，常規(guī)方法無法測量。對常規(guī)方法無法檢測的尺寸，選用三坐標(biāo)測量，同時為保證生產(chǎn)周期需求，數(shù)控設(shè)備可以保證的尺寸優(yōu)先選擇首末件檢查。對個別工序中無法直接保證的尺寸，可以通過尺寸鏈換算及適當(dāng)縮嚴(yán)公差進(jìn)行間接保證[2]。

3.2 工藝試制階段

作為典型的薄壁機(jī)匣件，為保證零件尺寸合格，最重要的是控制零件變形，零件變形可以大概分為本身毛料的內(nèi)應(yīng)力以及加工中的應(yīng)力變形2個方面。

該零件毛坯為鍛造件，針對毛料本身內(nèi)應(yīng)力，加入半精車、半精銑工序，逐步釋放應(yīng)力，消除上工序的變形量，減少毛料內(nèi)應(yīng)力影響。針對加工中產(chǎn)生的應(yīng)力變形，從減少加工應(yīng)力和控制應(yīng)力對零件影響等方面開展工作，通過螺旋銑等先進(jìn)加工方式減少產(chǎn)生的加工應(yīng)力，采用車銑復(fù)合、輔助支撐的方法來控制應(yīng)力產(chǎn)生的影響[3]。

3.2.1 薄壁機(jī)匣變形控制研究

3.2.1.1 梳理工藝路線，調(diào)整加工順序

為減少加工變形對設(shè)計基準(zhǔn)和后端孔位置度的影響，進(jìn)行工藝路線優(yōu)化，具體調(diào)整內(nèi)容如下：1）增加修基準(zhǔn)工序，半精車的腐蝕檢查后，精車前增加一道修基準(zhǔn)工序，進(jìn)一步控制精車工序加工基準(zhǔn)；2）調(diào)整設(shè)計基準(zhǔn)加工順序，將銑加工凸臺及孔內(nèi)容調(diào)整至內(nèi)圓基準(zhǔn)加工前，縮嚴(yán)銑加工凸臺工序孔位置度要求，減少銑加工對設(shè)計基準(zhǔn)的影響，保證最終設(shè)計基準(zhǔn)精度；3）調(diào)整精密孔加工順序，調(diào)整鉆鉸前后端精密孔為最后2道機(jī)加工序，減少其他加工對零件變形和精密孔位置度的影響；4）保證車銑加工順序，同設(shè)計協(xié)調(diào)，調(diào)整該機(jī)匣零件型面尺寸，保證先精銑型面再精車后端，保證銑加工時零件剛性，并通過車加工進(jìn)一步消除銑加工引起的零件加工變形。

3.2.1.2 改進(jìn)加工余量，降低銑削變形

原粗銑工序去除余量較小，穩(wěn)定處理后銑加工仍需去除大量余量，易導(dǎo)致零件變形。將銑加工大部分余量調(diào)整至穩(wěn)定，調(diào)整后銑外型面余量可減少21mm，減少穩(wěn)定處理后大余量銑削產(chǎn)生的應(yīng)力變形。

3.2.1.3 設(shè)計穩(wěn)定裝夾方案，增強(qiáng)零件加工剛性

后端孔加工時加工部位距支撐面較遠(yuǎn)，剛性較差，設(shè)計穩(wěn)定裝夾方案，進(jìn)行多點限位和支撐，如圖2所示，加強(qiáng)后端孔加工系統(tǒng)剛性，減少加工變形，保證后端孔加工精度。

圖2 某環(huán)形機(jī)匣夾具裝夾示意圖

原加工方案中加工端面孔時，采用輔助支撐結(jié)構(gòu)支撐下端面，防止加工中端面產(chǎn)生沿軸向變形，但在實際加工端面孔后發(fā)現(xiàn)，零件端面端跳變形不大，而加工孔后因零件端面原應(yīng)力結(jié)構(gòu)被破壞，圓周方向會產(chǎn)生較大變形，若采用該輔助支撐，因頂緊產(chǎn)生的摩擦力會在加工過程中限制零件變形，最終會導(dǎo)致零件卸下后會產(chǎn)生二次變形而使端面孔位置度變差。不采用改結(jié)構(gòu)加工，零件會因加工孔產(chǎn)生變形，但隨孔逐漸加工擴(kuò)大，會逐步修正孔位置度，最終保證限位檢測時孔位置度。不使用該輔助支撐加工2臺零件后，限位工裝下測量端跳為0.016mm和0.027mm（要求0.05mm），滿足要求。

3.2.1.4 測定機(jī)床精度，優(yōu)選加工設(shè)備

為排除機(jī)床自身精度對零件加工的影響，開展優(yōu)選高精度機(jī)床工作，根據(jù)測定機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，最終選定現(xiàn)場高精度設(shè)備加工。

3.2.2 高效低應(yīng)力銑加工技術(shù)研究

3.2.2.1 全流程工序仿真，分析理論變形規(guī)律

對零件進(jìn)行工序級工藝仿真分析，零件后端車加工內(nèi)容多、去除量大，加工后產(chǎn)生較大應(yīng)力，變形較大，須控制加工過程中零件應(yīng)力的釋放，控制最終變形量；銑加工型面后的車加工出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生偏心變形，須優(yōu)化銑加工工藝，控制應(yīng)力集中。

3.2.2.2 細(xì)化操作步驟，控制車削狀態(tài)

車加工變形控制是零件變形控制的重要環(huán)節(jié)，通過拆分加工工序，前后端反復(fù)車削，并在加工過程中設(shè)置應(yīng)力釋放點，讓零件自由釋放應(yīng)力，以控制車加工后零件最終狀態(tài)。為規(guī)范車加工操作，制作車加工操作步驟細(xì)化說明書，主要內(nèi)容如下：1）加工前自由狀態(tài)測量。加工前自由狀態(tài)下測量零件上端面端跳及圓跳，記錄在流卡后的記錄表內(nèi)；2）加工前檢查。加工前使用塞尺測量零件基準(zhǔn)面跳動，若基準(zhǔn)面跳動不滿足要求，則重新修平；3）裝夾零件：按照工藝規(guī)程找正壓緊零件，壓緊時基準(zhǔn)面墊塞尺，不允許懸空壓緊；4）加工前限位狀態(tài)測量。加工前在壓緊狀態(tài)下測量零件上端面端跳及圓跳，記錄在流卡后的記錄表內(nèi)；5）粗車加工。按數(shù)控工步卡進(jìn)行加工，每刀上刀量不大于0.2mm，全型面尺寸預(yù)留0.2mm~0.5mm余量；6）中間過程松壓板。粗加工后，將零件壓板松開，卸下零件后放置1h~2h。松開壓板后須將零件移開原位置進(jìn)行放置；7）二次裝夾。將零件重新按工藝規(guī)程找正壓緊，壓緊時基準(zhǔn)面墊塞尺，不允許懸空壓緊；8）精車加工。按數(shù)控工步卡繼續(xù)加工剩余的0.2mm~0.5mm余量，每次上刀量不大于0.1mm；9）加工后限位狀態(tài)測量。加工完畢后在壓緊狀態(tài)下測量零件上端面端跳及圓跳，并作好記錄；10）加工后自由狀態(tài)測量。松開壓板，卸下零件，自由狀態(tài)下測量零件上端面端跳及圓跳，并作好記錄。

3.2.2.3 采用對稱銑加工，均勻釋放應(yīng)力

零件外型面分布8處引氣孔凸臺，原采用普通順序銑方式加工，因應(yīng)力釋放不對稱，導(dǎo)致零件變形較大。經(jīng)研討分析，該結(jié)構(gòu)可采用對稱銑加工，均勻釋放銑加工應(yīng)力，減少零件變形情況。

加工過程中，將銑型面工步拆分為粗、精銑，借鑒分層低應(yīng)力銑削特點，局部型面不直接加工到位，采用完整型面逐層銑削的方式，如圖3所示，全型面逐步上刀去除余量，使加工應(yīng)力均勻釋放，減少因應(yīng)力釋放造成的變形。

圖3 逐層銑削方式加工仿真

3.2.2.4 優(yōu)化孔加工方案，提高孔加工質(zhì)量

為控制孔系偏心量，須著重控制前后端孔的加工方法，對加工的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化： 1）加工前校正機(jī)床零點，消除機(jī)床主軸定位誤差。加工前校正機(jī)床，為進(jìn)一步消除機(jī)床自身誤差對零件加工的影響以及廠房溫度差異對機(jī)床定位零點的影響，加工前對機(jī)床進(jìn)行零點校正。2）優(yōu)化找正方案，將工作臺旋轉(zhuǎn)找正改為精度更高的主軸旋轉(zhuǎn)找正。因機(jī)床X、Y、Z坐標(biāo)軸的精度優(yōu)于工作臺C軸精度，這使點位加工方案要優(yōu)于旋轉(zhuǎn)工作臺加工，采用點位加工方式若加工前找正為旋轉(zhuǎn)工作臺找正零件，該找正方式進(jìn)行點位加工會存在機(jī)床零點與主軸零點誤差，該誤差會累計進(jìn)孔偏心量內(nèi)，采用旋轉(zhuǎn)主軸找正零件，該方案進(jìn)行點位加工會消除零點誤差。3）孔加工方案由順序銑改為對稱銑，均勻釋放應(yīng)力，控制孔系偏心量。某機(jī)匣零件鉆鉸前、后端孔工序原加工方案為順序銑加工方式，該方案應(yīng)力釋放不一致，經(jīng)討論該加工方案可能是導(dǎo)致后端孔產(chǎn)生偏心的原因之一，因此將前、后端孔加工方案改為對稱銑，不會因一側(cè)應(yīng)力釋放而導(dǎo)致整體孔發(fā)生偏心。4）端面孔預(yù)留余量模擬加工，在限位工裝上驗證精密孔系加工方案，通過調(diào)整主軸零點位置補(bǔ)償孔系偏心量。加工過程中，為降低鉆孔后零件應(yīng)力產(chǎn)生的變形對孔位置度的影響，同時為收集孔加工過程中偏心數(shù)據(jù)，加工時不直接將孔加工到位，而是單邊留1mm余量，先加工至Φ6mm孔，卸下測量，而后再加工至Φ8mm孔再進(jìn)行測量。5）優(yōu)化走刀路線，提高加工質(zhì)量。

在銑加工外型面時，原加工方案為一次走刀加工全部區(qū)域，在UG軟件及仿真模擬中刀路無問題，但在實際半精加工過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接R處有過切現(xiàn)象。優(yōu)化后將該刀路改為分3步加工，如圖4所示，轉(zhuǎn)接R圓角單獨進(jìn)行，加工后零件表面質(zhì)量良好。

圖4 分步加工走刀路線仿真圖示

試驗銑加工參數(shù)，保證粗糙度合格。零件前端面和8處引氣孔凸臺表面為保證裝配后氣密性，要求加工后的表面粗糙度Ra0.8μm，通過與專家討論，為保證表面質(zhì)量，避免多次排刀產(chǎn)生的接刀破壞表面完整性，采用連續(xù)銑削方式，最終確定為圓周方向走刀加工。現(xiàn)場加工后使用粗糙度儀進(jìn)行測量，車加工后的表面粗糙度Ra0.3μm~Ra0.5μm，銑加工采用主軸轉(zhuǎn)速S為1200r/min、進(jìn)給速度F為20mm/min的參數(shù)加工，加工后的表面粗糙度為Ra0.4μm~Ra0.6μm，滿足設(shè)計要求。

3.3 薄壁機(jī)匣限位檢測研究

針對某環(huán)形機(jī)匣提出的限位檢測要求，首先確定限位工裝方案，盡可能保證限位工裝狀態(tài)和裝配狀態(tài)一致，經(jīng)與設(shè)計以及各團(tuán)隊專家討論，確定限位工裝方案為以零件前端內(nèi)圓和端面為基準(zhǔn)，輔助固定后端端面和外圓。

測量時，須限位檢測的尺寸，除在限位工裝上進(jìn)行檢測外，還額外進(jìn)行自由狀態(tài)測量，收集限位與自由狀態(tài)數(shù)據(jù)，總結(jié)限位檢測經(jīng)驗。

從測量數(shù)據(jù)可知：1）端面孔位置度。限位狀態(tài)下基本為0.1mm，較自由狀態(tài)改善了約0.1mm，限位工裝作用明顯；2）端面平面度。限位狀態(tài)基本為0.03mm，較自由狀態(tài)改善了約0.07mm，限位工裝能起到很好的限位作用；3）圓跳動。限位狀態(tài)下基本為0.1mm，較自由狀態(tài)改善了約0.03mm；4）徑向形位公差。限位狀態(tài)下與自由狀態(tài)數(shù)據(jù)基本一致，限位工裝對徑向孔位置度和平面度等基本無影響；5）裝配后形位公差。通過對比裝配后端面孔位置度和后端面跳動，限位工裝下與裝配后數(shù)據(jù)基本一致，限位工裝接近模擬裝配作用。

3.4 新件試制結(jié)果

在貫徹上述所有措施后，研制臺份最終測量數(shù)據(jù)：零件端跳在0.02mm左右，后端孔位置度在0.3mm左右，綜合偏心量在0.06mm左右，比較更改前某機(jī)匣零件位置度0.44mm、偏心量0.1mm左右，狀態(tài)有明顯改善。

4 結(jié)論

通過該技術(shù)研究，筆者掌握了某環(huán)形機(jī)匣零件的變形控制加工方法，實現(xiàn)薄壁環(huán)形機(jī)匣零件的低應(yīng)力高精度機(jī)械加工，零件精密孔的偏心量得到了有效控制；結(jié)合理論研究內(nèi)容與零件最終狀態(tài)的實際檢測數(shù)據(jù)，該技術(shù)研究的工藝控制措施合理可行，可有效地控制該類型環(huán)形機(jī)匣零件的加工變形和后端精密孔的偏心量，該技術(shù)成果可以推廣至類似結(jié)構(gòu)的薄壁環(huán)形機(jī)匣類零件的研制和批量生產(chǎn)中，為后續(xù)同類零件的機(jī)械加工提供了切實可行的技術(shù)支持。