薄壁闭式叶轮加工变形控制技术研究

陶勇超

摘 要：以某型机薄壁闭式叶轮为研究对象，利用公司现有加工条件及设备，合理改变原有工艺规程的工艺方法及加工路线，在不改变工装、刀具，不增加加工成本的情况下，探索出薄壁闭式叶轮加工的变形控制技术。经过多轮、多种工艺方法的工艺试验验证，最终找到了薄壁闭式叶轮加工中的车削及铣削变形有效的解决措施。通过该文的研究成果能对类似零件的研制加工有所借鉴。

关键词：薄壁 闭式叶轮 变形

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0050-01

1 薄壁闭式叶轮加工变形控制技术的提出和研究现状

1.1 问题的提出

随着航空事业的飞速发展，发动机制造的精度要求越来越高，更新换代时间越来越短。作为航空产品生产单位，对新品研制周期要求越来越短，产品结构更加复杂，产品质量要求越来越高，加工的难度也越来越大。对于发动机中的叶轮部件提出了更高的使用及加工要求。

某型机薄壁闭式叶轮，为该机型关键部件，材料为铝合金，尺寸相对较大，叶片及轮辐比较薄，叶片最薄处约为0.25左右，并且尺寸精度及叶型形位公差要求高。在整个加工过程中必须采取有效方法严格控制车削及铣削变形。加工难度大，生产研制周期长。整个研制过程中，因其尺寸及形位公差要求严格，无现成经验可以借鉴，超差报废严重，缺少必要的刀具、量具、有效工装，工艺路线及加工方法需多次改进。

1.2 研究现状

几年来，已经过多轮试验研究。工艺方案及工艺路线经过多次更改，但加工中仍无法有效控制零件变形，试验件大量报废，今年再次投入一批产品进行试验摸索，总结以往经验，并对零件切削加工中的变形点进行分解控制，聘请专家对出现的问题逐项解决，逐项固化。

2 薄壁闭式叶轮车、铣削变形控制技术

2.1 选择和制定合理的工艺方案和路线

薄壁零件的几何形状和技术要求各不相同，根据零件的特点和要求选择合理的工艺方案，是保证薄壁零件加工质量的关键。在加工过程中防止产生变形和保证产品精度要求，工序的设置、夹具的设计等均应以此为基础。工艺规程在编制开始时，就要从零件的毛坯形状、余量大小、热处理方法等方面考虑零件加工过程中的变形。对于该薄壁闭式叶轮，粗、半精加工后需要进行时效处理，进一步消除其内应力，稳定零件的尺寸精度，消除在精加工时产生的变形量。

该薄壁闭式叶轮的加工，分为粗加工和半精加工及精加工，粗加工后进行一次消除应力处理，半精加工后再进行一次消除应力，每次消除应力后，都需对基准进行一次加工，且保证基准的准确和统一，并反复对薄壁闭式叶轮的内、外表面进行加工，减小零件的变形。

在薄壁闭式叶轮的加工过程中，加工余量的分配是否得当，将影响其加工质量。加工余量的分配必须适当。同时为了保证零件的加工精度，精加工工序前的余量需很小，但一般仍要分多次走刀将其加工到最终尺寸。

2.2 防止薄壁闭式叶轮装夹时变形

薄壁闭式叶轮在加工过程中，采用合理的工艺路线等工艺措施，是保证产品精度的重要保证，另一个重要的环节就是控制装夹。零件加工前的合理装夹，是防止因装夹不当引起零件变形，保证其加工质量的一项重要措施，装夹前找正零件外径跳动0.01以内，夹紧后保证外径四等分点的跳动变化在0.01以内。

2.3 薄壁闭式叶轮定位基准的选择和夹具定位基准面的要求

在车削加工薄壁闭式叶轮时，一般都是旋转表面和由旋转而成的平面。加工前应根据该零件的形状、特点和要求，分析选用哪些表面和部位作为工艺定位基准，以保证零件的加工精度要求。一般来讲要将设计基准作为工艺基准，选用精度要求较高的表面作为定位基准，或尽可能选择零件装配或工作的表面作为加工用的定位基准。才能更好地保证产品的形状和位置精度的要求。定位基准应该选择刚性较强的位置，在加工中可以避免因受切削力和夹紧力的影响而产生大的变形。

薄壁闭式叶轮的定位基准，必须具有足够的刚度，保证定位可靠，并具有较高的几何精度和表面光洁度。可以在零件上人为的设定加工基准，待精加工时去除该基准。

夹具的安装基准定位面，具有较高的几何精度、定位精度及表面光洁度。这些基准特征在安装时要保证和机床的旋转中心的同心度和垂直度要求。对于精加工工序用的工装夹具来说，夹具安装在机床上，首先应该检查它的定位基准面对于机床主轴旋转中心是否同心或垂直，如果不能达到零件加工精度的要求，就要对夹具定位面进行修正，使其满足产品加工精度的要求。

在薄壁闭式叶轮加工中，对零件夹紧部位的选择及对夹具夹紧件的要求如下。

薄壁闭式叶轮最突出的特点就是刚性弱，承受不了大的夹紧力。零件装夹在工装夹具上，即使安装合理，稳定可靠，往往由于夹紧力不合适，或者夹具夹紧零部件结构不合理，或者操作时不注意等因素，致使零件产生变形，不能满足产品质量的要求。因此在加工时，正确地安装和夹紧零件，是防止零件产生变形的两个重要环节。

零件装在夹具上，首先检查零件定位基准和夹具定位面是否自由吻合，如不吻合要分析原因或修正零件定位基准，修正夹具的定位基准面，使其紧密吻合。

夹紧薄壁闭式叶轮时，夹紧力要均匀一致，用几个压板去压紧零件时，要按照对角交错的顺序，压紧零件，在零件外径或相关部位，用表压力来控制压紧力的均匀分布及变形。精加工前，进行一次松夹操作，消除粗加工时产生的应力。

2.4 薄壁闭式叶轮加工中振动控制技术

精车削基准前，因叶型已经基本形成，去除余量比较大，精车削产生振动，造成加工表面质量差，尺寸及形位公差超差。精车削时，因刀具悬伸长，必须采用减振刀杆，并在刀杆上及叶片之间缠绕橡皮筋，能够起到吸振的作用，但缠绕力需适当，否则将造成叶轮叶片等的变形，造成超出。

3 薄壁闭式叶轮工装应用原则

薄壁闭式叶轮工装设计及拼装时，必须考虑装夹部位的刚性，装夹力对零件变形的影响。因零件基准在叶型上，必须拼装出辅助找正基准，增加刚性的辅助支点，夹具必须保证零件的加工质量，还不能因为夹具对零件造成破坏。

4 结语

经过多轮研制、不断的调整工艺方法，减小了薄壁闭式叶轮加工中的变形，保证了产品质量，降低了生产成本；该控制技术仍需在后续该类零件的研制中进行完善，希望该文能对该类零件的研制起到借鉴作用。

参考文献

[1] 董兆伟.铝合金整体结构件铣削加工残余应力及变形研究[D].北京：北京航空航天大学，2006.

[2] 刘长荣，张小芹，麻东升.提高薄壁零件加工精度的研究[J].廊坊师范学院学报：自然科学版，2008（6）：34-35，44.

[3] 李广旭，刘强.航空薄壁件铣削加工中保持工艺系统高刚性方法[J].航空制造技术，2009（3）：89-93.