新結構薄壁密封機匣加工技術研究

孫穎

摘 要：某研制發動機變循環方案中介單元體密封機匣是一種全新結構的機匣零件，該零件結構復雜，尺寸精度高，壁薄，沒有可借鑒的加工經驗。通過對該機匣設計圖紙的全面分析，結合現有設備，派制專用工裝、刀具，制定出一套合理的加工工藝，以滿足設計圖紙及裝機要求，控制零件變形，解決新結構機匣沒有成熟加工工藝的問題。

關鍵詞：密封機匣；變形控制；加工工藝

引言

某研制發動機變循環方案中介單元體密封機匣是一種全新結構的機匣零件，該零件結構復雜，尺寸精度高，壁薄，沒有可借鑒的加工經驗，需要有工藝性符合的設計圖、合理的工藝路線、高效的數控方案、有效的工裝方案以及現場問題的快速解決，最終要達到零件所有機加尺寸及技術條件一次加工合格的目的。

一、存在問題

密封機匣屬于大型薄壁環形機匣，加工系統穩定性差，零件前端為薄壁回轉結構，需安排車加工進行。后端外環有9種，共16處不同結構的徑向凸臺特征，內環有2種，共3處不均勻布的平面，零件內環車銑轉接位置必然存在接刀，但圖紙對該位置并未允許接刀。為解決上述問題，需要從工藝方案制定、數控方案制定、工裝方案制定幾方面著手進行驗證。

二、技術方案

（一）工藝路線制定

為保證零件得以順利加工，安排工藝路線時，需考慮加工系統穩定性、測量方法合理性等方面。因為零件包含回轉結構、徑向凸臺、徑向精密孔、端面孔等特征，基于該工藝框架，考慮零件結構、尺寸特點，對上述總體路線進行細化、調整、優化。從余量圖出發豐富工藝路線，零件材料采用鈦合金鍛件標準，需要進行超聲波檢驗和腐蝕檢查處理，均需預留足夠的余量。與毛料部門協調后，毛料在投料前進行超聲波檢驗，可減少加工余量和生產周期，最終零件余量定為5mm。零件內外環均存在凸臺特征，內環車銑加工余量均超過30mm，外環車銑加工余量均超過20mm。為減少精加工時余量，防止因下削量大導致的變形，將車加工、銑加工均分為粗、精加工，并在精加工前送穩定處理消除應力[1]，豐富工藝路線后為：粗車—粗銑—半精車—腐蝕檢查—穩定處理—精車—精銑—鏜孔。

對工藝路線進一步優化：零件前端為回轉結構，不需進行銑加工，因此在粗車后，將形成“前輕后重”的結構，為避免零件質量分布不均而造成的裝夾不穩定、加工有風險的情況，需調整前后端的粗加工順序；零件粗銑后已形成凸臺特征，但并未產生角向孔，對后續的加工找正及測量均存在極大問題，因此需在粗銑前增加鏜角向孔工序；零件后端直徑為精配合尺寸（公差0.09mm），在零件剛性差、易變形的情況下，將精車后端安排至最后一道車加工工序，減少該尺寸超差的風險；將加工過程中去毛刺、修基準等工序安排在合適位置，制定完整的工藝路線。考慮在實際加工過程中，角向孔在精鏜端面孔工序修復后，在精銑內型面工序才會起到作用，且兩道工序的裝夾狀態一致，最終合并上述兩工序，減少周轉和二次裝夾時間，縮短加工周期。

（二）數控方案制定

1.內型面粗加工方案

由于零件內型面直徑大，因此除立式加工外，還可選用臥式加工方案。

（1）立式加工方案分析。刀具選擇：φ40mm玉米銑刀，要求懸長不小于250mm；程序編制：由于徑向切削深度為33mm<φ40mm，只需編制一條程序；加工時間：由于刀具懸長過大，加工剛性差，每次進刀量1mm，預計加工時間約8900min。

（2）臥式加工分析。刀具選擇：φ20mm合金銑刀，要求懸長不小于33mm；程序編制：大部分使用機床轉臺轉動加工，需編制8條程序加工不同位置；加工時間：刀具懸長小，剛性相對較高，軸向每次步距為10mm，預計時間約5700min。為保證零件加工穩定性，保證質量的同時提高零件加工效率，最終采用臥式加工方案。

2.外型面粗加工方案

零件外型面最初采用常規的分層銑加工。使用刀具端刃部分切削，軸向只需11層刀路。實際加工過程中發現該加工方案效率低，零件外型面共有9段曲面，加工第1段曲面時，實際每層切削時間需40min，共12層，總切削時間480min，消耗φ20mmR1mm銑刀共4把。而其他段曲面位置的下削量約為第1段曲面位置下削量的2倍～3倍，預計還需加工480min／段×8段×2倍＝7680min，還需消耗φ20mmR1mm銑刀4把／段×8段×2倍＝64把。不但加工后的表面質量差，而且嚴重影響零件加工周期。

為提高零件加工效率和質量，同時減少零件刀具消耗，研究使用先進的擺線銑加工方案進行后續加工。使用φ20mmR1mm銑刀側刃部分切削，一次加工到位，無需分層，有效利用刀具壽命。雖然每刀下削量小，但切削速度得到極大提高（由F=100mm/min提高至F=500mm/min）。加工方案改進后，剩余曲面實際切削時間約1300min，共消耗φ20mmR1mm刀具15把。且加工后零件表面質量得到了顯著的提高。

3.內型面精加工方案

內型面底部位置的 R 圓角為R5mm與R1mm圓角的轉接，由于零件深度大，深度超過240mm，且R5mm圓角尺寸小，若派制專用φ10mmR1mm長銑刀，在裝夾時可能出現刀具不穩的情況，碰傷零件內壁。

為符合設計圖尺寸，同時保證零件質量，確定內型面精加工采用臥式加工，方案如下：

（1）由于加工面為零件內直徑，若走刀沿零件軸向進給，將出現殘留，加工后表面將出現明顯接刀，因此使用φ20mm銑刀臥式沿圓周方向加工，為提高零件加工質量。

（2）為保證零件底部安裝邊尺寸，并減少接刀，加工內壁時在底部留0.5mm余量，最后使用球銑刀將安裝邊厚度一次銑加工合格。

（3）為保證零件底部轉接圓角加工合格，在生產車間工具室找到一特殊銑刀，刀長超過300mm，可防止加工時刀柄與零件碰撞，對圓角處進行清根，保證零件尺寸。

4.外型面精加工方案

加工外型面時，零件薄壁特征已經出現，首先考慮對稱銑加工的可行性，分析零件結構為左右對稱、上下不對稱的特殊結構。若使用對稱銑加工的方式，零件下方受力將與其他位置不一致，可能導致零件在豎直方向變形過大。

5.徑向孔加工方案

密封機匣為裝配在中介機匣外的結構，因此其徑向孔的位置與中介機匣徑向孔的位置完全一致，與常規中介機匣徑向孔的位置一致，可采用銑加工、倒角、鏜孔的順序進行加工。與中介機匣外環結構不同的是，密封機匣左右與中介機匣主安裝節裝配處，存在一處密封槽結構。但中介機匣內環也存在類似密封槽，因此可使用中介機匣使用的 T 型銑刀分兩層加工。

6.端面孔加工方案

零件前端面孔為均布排列，后端面孔為對稱排列，均為常規自由公差，且位置度均為φ0.2mm，可采用常規鉆孔加工。

（三）工裝方案制定

1.針對設計圖難加工尺寸制定專用工裝

密封槽外部尖邊設計為倒圓角，機匣廠原本無該形狀的專用刀具，且設計未同意將此處改為倒角。為減輕該圓角加工難度，派制專用倒圓刀，可同時對正反倒圓進行加工，節省加工時間。

2.針對加工系統穩定性制定專用工裝

零件總高約246mm，銑加工外型面時，壁厚在3mm～9mm，裝夾壓緊位置始終為零件下安裝邊，加工位置位于零件上方。因此，無論使用常規分層銑加工，還是擺線銑的加工方法，都會在徑向對零件產生作用力，從而導致零件向內產生變形。針對零件變形特點，自設專用工裝，將工裝裝配在零件懸空的止口部分，提高零件加工時上半部的剛性，減少零件變形[2]。

三、現場驗證

（一）零件粗銑外型面發生刀具斷裂現象

零件粗加工外型面時，采用擺線銑的加工方式，加工時刀具發生斷裂。

對比其他零件擺線銑程序，分析刀具斷裂的原因：第一，由于進給速度與每層切深均經過其他零件的加工驗證，因此可排除切削參數的原因； 第二，加工設備為新驗收的加工中心，因此可基本排除設備原因導致的刀具斷裂；第三，分析密封機匣實際切削狀態與其他零件加工驗證時的差別，發現密封機匣加工所用的銑刀均為反磨銑刀，表面已不存在涂層，因此刀具強度不夠，在加工至底部時發生斷裂。制定解決方案：為減少刀具加工至底部時的受力，降低加工至底部時的進給速度至F=50mm/min，可解決零件打刀現象。

后續問題處理：調整進給速度解決斷刀現象后，發現零件實際加工時間出現極大增加，不利于零件按時交付，且進給速度改變后，零件底部出現振紋，質量降低。為解決零件加工時間長、質量差的問題，經研究后提出解決方案，在加工位置沿周邊開槽，從根本上解決刀具加工至底部受力過大的問題，使零件全刀路高速進給，提高零件加工效率和質量。

（二）鋁盤資源緊張，自設工裝未回

自設工裝直徑要求φ910mm，零件加工至外型面前，現場未找到可用的直徑大于φ910mm的鋁盤，導致零件加工時無法使用自設工裝。

由于該自設工裝的作用是提高零件加工系統的穩定性，減少零件變形的可能性，因此在上述情況下，為提高加工系統穩定性，尋找額外的8塊墊鐵及壓板，使用16處壓緊的方式進行裝夾，提高了零件裝夾強度，在一定程度上減少了零件加工變形。

（三）型面精銑加工驗證

零件型面比較復雜，粗銑之后工藝要求進行腐蝕檢查，由于腐蝕檢查要求比較嚴格，外型面表面粗糙度要求至少為Ra3.2，對于此零件外型面加工余量較大，正常粗加工之后很難保證腐蝕檢查要求。對零件加工程序進行優化調整，零件粗加工工步使用機夾刀應用對稱銑、分層銑等方式控制零件狀態并去除大部分余量，留0.3mm余量用于精加工。增加精加工工步使用整體合金銑刀往復加工，并提高殘余高度值至0.005mm，以保證零件表面粗糙度，針對局部轉接 R 位置增加銑加工程序。控制零件表面質量，保證腐蝕檢查工序要求。

分析零件結構及易出現毛、接刀位置，通過優化數控程序，對關鍵位置、空間狹小、毛刺較多的位置使用球刀沿型面反復加工去除尖邊、毛刺、接刀痕，盡可能減少鉗工工作，保證零件表面質量。零件型面復雜區域表面質量得到了有效的改善。加工過程中選用加工精度較高且可安裝動力彎頭的四坐標立臥轉換設備進行加工，外型面使用臥式方式進行加工，內型面使用立式配置動力頭進行加工，保證內外型面一次裝夾加工。

零件端面孔加工精度要求較高，位置度為φ0.03mm，且為多處均布無法整除，普通的循環程序存在較大的累計誤差，加工到最后時很難保證φ0.03mm的位置度，而不使用循環程序逐個點位進行加工程序量太大，且容易出現錯誤，無法滿足零件加工需求。改變零件的編程方式，在數控程序中對加工點位引入函數計算公式的方式，點位都是通過精確計算的方式進行選擇，每一次循環都進行重新計算，不會造成多次循環后的累計誤差，編程效率也得到提高并保證了零件的加工質量及裝配要求。

四、試驗結論

1.對于難以找正角向的加工特征，應在角向特征出現前，以角向孔或劃線的方式確定角向，便于后續加工和測量。

2.對于零件軸向質量差別大的零件，安排工藝路線應盡量保持零件質量大端始終作為定位面。

3.臥式銑加工零件內圓弧時，應沿圓周方向走刀，可提高零件加工后的表面質量。

4.對于薄壁易變形零件，在設計允許限位測量的前提下，精密尺寸應盡量放在工序中提檢。

5.由于密封機匣的角向孔在穩定處理后，初次產生作用是精銑內型面，且修復角向孔與精銑內型面的裝夾狀態一致，因此兩個加工內容可以合并加工，減少周轉周期。

6.凡是切削深度大、下削量大的粗加工部位，均可嘗試使用擺線銑的方式進行加工。可大幅降低刀具消耗，同時提高加工效率。

7.對于薄壁易變形零件，可自設工裝，在加工時卡在剛性差的止口位置，提高零件剛性，從而減少零件變形。

總結

經過現場研制，通過合理協調設計問題、安排工藝路線、優化數控程序、派制非標刀具，保證了零件合格交付。總結了薄壁零件的加工經驗，可推廣到后續類似零件的研制過程中。零件滿足了設計圖紙及裝機要求，控制了零件變形，合格交付。

參考文獻：

[1]唐亞彬.基于有限元分析的薄壁結構件加工變形預測方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[2]齊永興，徐朋，孫衛峰. 薄壁工件裝夾穩定性研究[J].機械管理開發。2019（01）：80-82