航空封嚴零件孔及圓弧槽加工工藝

黃強

中國航發西安航空發動機有限公司 陜西西安 710021

1 序言

航空封嚴零件是航空發動機的重要組成部分，先進封嚴技術在滿足發動機諸多性能，如耗油率、飛行成本、推重比、發動機及其部件壽命以及降噪等方面都起到了關鍵作用，其密封性能直接影響發動機增壓比和渦輪效率[1]。航空封嚴零件孔及圓弧槽銑削加工余量較大、尺寸公差嚴格，精度要求高、相對剛度低、加工工藝性差，航空封嚴零件在孔及圓弧槽加工過程中突出的問題是控制加工變形[2]。

本文通過對不同的孔加工方法引起的加工變形進行對比分析，選擇變形較小的孔加工切削工藝，并通過選擇穩定、可靠的定位裝夾方式，設計適用于航空封嚴零件孔銑削加工輔助支撐夾具，優化加工程序及切削策略，改善零件切削狀態，提高零件定位剛性及加工精度，控制航空封嚴零件孔及圓弧槽加工引起的變形。

2 零件材料及結構特征

2.1 材料分析

本文研究的航空封嚴零件材料為MSRR7035鎳基高溫耐熱合金，其結構為旋轉件（見圖1），材料Ni-20Cr-20Co-5.9Mo-2.1Ti，該高溫合金經固溶沉淀處理，材料硬度≥229HBW，MSRR7035鎳基高溫耐熱合金是一種高強度、高硬度鎳基合金，在高溫環境下性能穩定。其切削性能差的主要原因：①彈性變形大，切屑在前刀面上的滑動摩擦大，加工后零件表面回彈量大，刀具后刀面與零件摩擦嚴重。②材料黏性大，切削過程中不易斷屑。③切削區域溫度高，材料的導熱性差。

圖1 零件

2.2 零件結構分析

航空封嚴零件端面均布多處孔及圓弧槽，孔所在端面的外徑437mm，端面厚度4.95mm，端面懸伸25mm，零件端面均布44處孔（見圖2），孔徑（15.04±0.02）mm，孔位置度0.10mm，孔口上端倒角60°±2°，孔口下端倒角（0.35±0.15）mm×（45°±2°）。端面外緣分布38處圓弧槽，圓弧槽尺寸R（10±0.025）mm，位置度0.1mm。

圖2 孔及圓弧槽示意

在孔及圓弧槽加工過程中，切削部位產生大量的切削熱，切削材料受擠壓產生形變，在切削區域產生較大的切削抗力，刀具磨損嚴重，端面加工后變形嚴重。

2.3 零件特征說明

1）精度高。孔徑公差嚴，位置精度要求較高。

2）剛性差。孔及圓弧槽加工后，端面材料去除率約90.1%，加工后零件剛性差。

3）工藝性差。端面懸伸長、孔加工時端面受力容易變形。

3 孔加工工藝及邊緣毛刺處理

3.1 鉆孔加工

在鉆削過程中，鉆頭的受力主要包括零件材料的變形抗力、鉆頭與孔壁及切屑間的摩擦阻力等。由于鉆削時的帶狀切屑是整體產生的，切屑相互牽扯，所以引起明顯的切削附加變形。鉆孔時，鉆頭刃部上各點的切削速度均不相同，前角、刃傾角和后角的切削變形也不同。鉆頭的切削刃從外緣到鉆尖，切削變形逐漸增大。這使得航空封嚴零件在鉆孔加工時，零件端面在這些力的作用下產生較大的橫向彎曲、縱向彎曲以及扭轉變形[3]。

對于航空封嚴零件端面孔及圓弧槽加工來講，鉆削加工不僅會引起明顯的加工變形，還存在以下問題：其一，在鉆孔時，鉆頭中心的線速度為0，鉆頭中心不參與切削，零件端面孔的中心區域材料要完全依靠鉆頭向下的推力將其擠出去，鉆頭所承受的軸向力很大，當加工高溫合金等難加工材料時，鉆頭會快速磨損失效。其二，鉆孔時鉆頭連續切削，鉆頭刃部始終與工件相接觸，切削時接觸面溫度很高，而高溫合金的導熱性差，連續的切削過程使切削區域的溫度不斷升高，刀具磨損變快，加工表面質量較差。其三，鉆孔過程中，切屑從鉆頭狹槽中排出，排屑速度慢，切削熱不能及時疏散而留在了工件和刀具上，加速刀具的磨損。另外，鉆孔后切屑排出孔時，會劃傷已加工表面，影響孔的表面質量[4]。鉆孔加工邊緣的圓弧槽時，鉆削過程為非完整切削，鉆頭會出現明顯擺動，圓弧槽加工后尺寸穩定性差，且切出端毛刺較大[5]。

由此可見，加工航空封嚴零件端面孔及圓弧槽時，鉆削加工時零件受軸向切削力較大，加工后零件變形大，同時鉆頭的磨損嚴重，加工表面質量差[6]。鉆孔加工往往無法直接滿足零件精度要求，需配合擴孔、鏜孔或鉸孔等方法來保證零件尺寸公差要求，鉆孔后去毛刺工作量大，從而降低了工作效率，提高了加工成本[7]。從控制零件加工變形及穩定產品質量角度考慮，鉆孔工藝不適合本文所述航空封嚴零件孔及圓弧槽加工。

3.2 螺旋銑孔加工

螺旋銑孔是一種結合了銑削與鉆孔的復合加工方式[8]。螺旋銑孔過程由刀具的“自轉”、刀具繞孔中心軸線的“公轉”以及刀具沿孔中心的軸向進給這三個復合運動組成（見圖3）。

圖3 螺旋銑孔示意

螺旋銑孔加工航空封嚴零件有以下優點。

1）銑刀中心的刀軌是螺旋線，不同于鉆孔加工的直線進刀，螺旋銑孔加工時，銑刀的中心與被加工孔的中心位置不重合，屬偏心加工過程。螺旋銑削時，由于金屬材料被分層去除，單位面積去除的余量較小，切屑剪切滑移離開零件本體的抗力較小，所以螺旋銑孔切削力較小，零件產生的變形小。

2）螺旋銑削時，銑刀的直徑小于被加工孔的直徑，銑孔加工可以用一種刀具加工不同直徑的多個孔，銑孔加工不僅提高了加工效率，同時減少了刀具種類，降低了刀具庫存，節約加工成本。

3）螺旋銑孔工藝方法屬于斷續切削，螺旋銑削時刀具與被加工孔間隙大，冷卻條件好，切削過程有利于刀具的散熱，減小了因局部溫度過高導致刀具快速磨損而引起的加工變形，提高了加工精度。

4）螺旋銑削加工排屑狀態較好，切屑一般為碎片狀，不易纏刀，排屑過程中不易劃傷加工孔的表面，螺旋銑削后孔表面質量高。

5）螺旋銑孔加工時，銑刀側刃的背吃刀量總是從零開始，逐漸線性地增大至規定值，每層螺旋進刀循環的側刃最大背吃刀量與螺旋進刀深度有關，適當調整切削進給及螺旋切削深度，可最大限度地減少或消除刀具讓刀，使被加工孔上、下直徑穩定一致。

加工圓弧槽時，由于圓弧槽屬于半開放結構，使用螺旋銑削平穩性差，所以刀具切削容易崩刃。圓弧加工可使用仿形切削，在切入端及切出端增加圓弧進退刀，圓弧槽銑削應使用側刃切削，軸向深度一次加工到位，避免軸向分層切削出現刀具崩刃。

3.3 邊緣毛刺處理

航空封嚴零件螺旋銑孔及圓弧槽銑削后，在孔上端表面、下端出口面及圓弧槽表面過渡處出現各種尖角及毛刺，直接影響被加工工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。毛刺的產生主要由于切削過程中塑性變形區大于切削層厚度，所以通常情況下，切入進給方向毛刺較小，而切出進給方向毛刺比較大[9]。

在螺旋銑孔后，使用60°倒角銑刀去除切入端毛刺，并完成孔口上端倒角60°±2°加工，使用反倒角銑刀去除切出端毛刺，保證孔口下端倒角（0.35±0.15）mm×（45°±2°）尺寸（見圖4）。圓弧槽銑削后，圓弧槽上端使用45°倒角銑刀去除尖邊毛刺，圓弧槽下端使用45°反倒角銑刀去除毛刺，銑削去毛刺前、后的效果如圖5所示。

圖4 倒角刀與反倒角刀

圖5 銑削去除毛刺前、后對比

3.4 鉆孔與螺旋銑削對比

MSRR7035高溫合金是典型的難切削加工材料，通過現場試切，分析鉆孔與螺旋銑削加工后零件變形、加工精度、表面粗糙度、刀具磨損及毛刺形態，確定螺旋銑削為控制航空封嚴零件孔加工變形的首選加工方案。

（1）零件變形 在鉆削過程中，鉆頭的受力主要包括克服零件材料的變形抗力及鉆頭與孔壁及切屑的摩擦阻力。加工時，鉆頭在轉動的同時進行軸向切削，鉆頭橫刃的副前角較大，無容屑空間，切削速度低，鉆孔時會產生較大的軸向抗力。鉆孔加工后，通過三坐標檢測端面平面度，分析加工前后端面變形量為0.15～0.20mm，零件變形較大。

螺旋銑削時，金屬材料被分層去除，銑刀與被加工孔間隙大，冷卻條件好，切削過程有利于刀具的散熱，刀具磨損較小，螺旋銑孔切削力較小，零件產生的變形小。三坐標檢測螺旋銑孔后零件端面的平面度，銑削前、后端面變形量為0.06～0.10mm，零件變形小。

（2）加工精度 鉆孔試切后，檢測已加工孔的尺寸精度，孔徑尺寸一致性差，鉆孔加工孔公差偏離要求較大，孔徑一次性合格率低于50%，孔的位置度可基本滿足要求。螺旋銑削加工后，孔徑尺寸穩定性好，孔徑均滿足圖樣要求，孔徑合格率90%以上，位置度全部合格，螺旋銑削的加工精度高于鉆削加工。

（3）表面粗糙度 分別對鉆孔和螺旋銑削后的孔表面進行表面粗糙度對比檢測，結果顯示，零件鉆削加工孔的表面粗糙度值Ra為1.6～3.2μm，螺旋銑削孔的表面粗糙度值Ra為0.8～1.6μm。從切削實驗現場觀察來看，鉆削加工刀具承受軸向力較大，加工過程中出現振動現象；鉆削時帶狀切屑從鉆頭兩側槽中排出，容易劃傷已加工孔的表面，導致表面粗糙度較差。螺旋銑削過程平穩，冷卻條件好，排屑充分，加工后可以得到較好的表面質量。

（4）刀具磨損 在進行航空封嚴零件鉆孔試切和螺旋銑削試切時，在加工過程中均設置了換刀點。由于鉆削加工受力較大，且切削液無法對切削區域進行有效冷卻，所以切削排屑狀態較差，鉆孔加工時鉆尖部分磨損較大。螺旋銑過程中，冷卻充分，同時切削液從孔內排出時一起將切屑帶出，改善了刀具的切削加工條件，延長了刀具的使用壽命，銑孔加工后刀具磨損正常。

（5）毛刺形態 分析比較鉆孔和銑孔兩種孔加工方式產生的毛刺形態，發現螺旋銑削無論是孔的切入端還是切出端，產生的毛刺尺寸都很小；相反鉆孔加工，其孔邊毛刺則明顯大于螺旋銑削產生的毛刺。

鉆削加工在孔口兩端產生非常明顯的毛刺和翻邊，且切出端毛刺尺寸較大，對去除毛刺帶來很大不便。螺旋銑孔由于切削力較小，所以孔口金屬的塑性變形也較小，銑孔后在孔口兩端均產生較小的毛刺，使用倒角刀可輕松完成毛刺的銑削去除。

除此之外，使用螺旋銑削加工技術，可以代替鉆孔加工的定尺寸刀具，用一種銑刀可以加工不同直徑規格的孔，銑孔加工可以部分代替擴孔、鉸孔工序，銑削加工可以完成倒角及尖邊倒棱處理，去除銑削加工產生的毛刺和翻邊，特別適用于小批量試制生產任務，對縮短研制周期，節約加工成本有重要意義。

4 定位裝夾

控制航空封嚴零件孔及圓弧槽加工過程中產生的變形[10]，除選擇合適的切削方法外，還應選擇合理的定位裝夾。分析零件結構特點認為，導致孔及圓弧槽加工后零件端面變形的主要原因是：零件端面材料去除率高，端面懸伸長，孔加工時零件剛性差，加工時端面受軸向力容易變形。

對于涉及孔和圓弧槽加工的零件，其定位方法很多，但對于剛性較差零件，其外形機構特殊，對被加工部位無法形成固定支撐，常規定位夾具無法對零件端面下方及邊緣進行固定定位，零件在孔加工時端面下方懸空，受力向下凹陷產生變形，零件邊緣圓弧槽在加工后會發生翹曲變形，零件在加工后變形無法修復[11]。因此，為提高航空封嚴零件孔及圓弧槽加工的可靠性，減小零件在加工時產生的變形，選擇零件端面槽的底面及內孔作為定位面，壓緊上端槽底面，在孔加工端面下方設置輔助支撐（見圖6），改善定位狀態，控制零件銑加工后變形的目的。

圖6 零件定位裝夾示意

航空封嚴零件輔助支撐夾具通過設置定位環（見圖7），使零件下方端面槽的底部與定位環的上端面貼合，零件端面槽的內孔與定位環的外圓貼合，勾型壓蓋壓緊零件上端面槽（見圖7）。勾型壓蓋與限位銷配合，以此消除或減弱勾型蓋板與零件上端面槽的定位間隙，從而提高勾型蓋板與零件的配合精度。

夾具通過設置左右兩個半環，轉動支撐螺釘調整每個半環的支撐高度，使半環上端定位面與零件端面的下端面貼合，使用0.02mm塞尺對半環與零件定位面的貼合度進行檢查。每個半環設置5個支撐螺釘及2個定位銷（見圖7）。定位銷可防止半環沿水平方向滑動，這種半環輔助支撐結構可以有效消除或減弱零件定位面與半環定位面之間的定位間隙，從而提高零件與半環的配合精度，提高零件端面剛性，有效解決零件孔及圓弧槽加工時的變形問題。

5 程序優化及試切效果

螺旋銑孔加工選用φ10mm硬質合金涂層銑刀，有效切削刃長10mm，為了提高刀具夾持剛性，夾持長度應盡可能短。銑刀安裝后，應在對刀儀上檢查端齒和周齒跳動在0.01mm以內，螺旋銑孔及倒角加工程序刀軌如圖8所示。

零件孔及圓弧邊銑削過程中，為了保證尺寸精度及穩定性，加工程序中設置了換刀點。銑削中途換刀后，為了快速定位到換刀前加工的孔位置，采用參數化編程，#1為要加工的目標孔計數，零件首孔默認為1，更換刀具后，將#1改為要加工的孔的順序號，程序通過坐標旋轉計算即可按順序接著加工后續未加工的孔，程序為：

現場對同批次零件各抽取10件進行試切試驗，通過對不同方法加工后產生的零件端面變形進行三坐標檢測，對比鉆孔加工及銑孔加工前后零件端面的變形量及加工后尺寸合格率。銑孔加工由于金屬材料被分層去除，銑削冷卻條件好，螺旋銑孔切削力較小，所以零件產生的變形小于鉆孔加工（見表1）。零件在定位裝夾時使用輔助支撐夾具，銑孔加工后端面變形小，滿足圖樣要求。

表1 不同方法孔加工變形量及合格率

6 結束語

通過對比不同孔加工工藝，選擇切削力較小、切削平穩且通用性較強的螺旋銑孔方法進行孔加工，通過對零件結構特點進行分析，設計了適用于航空封嚴零件銑削加工的輔助支撐夾具，優化了加工程序，并進行了試切驗證，有效控制了航空封嚴零件孔加工變形，提高了零件加工合格率。