薄壁零件加工变形控制方法研究

王兴超 刘 一

（沈阳黎明航空发动机（集团）责任有限公司，辽宁 沈阳 110043）

随着航空技术的迅猛发展，对航空发动机的安全性、可靠性、稳定性、轻量化也提出了更高的要求，因此在航空发动机中大量采用薄壁、整体类零件，该类零件具有形状结构复杂、加工余量大、刚性低、精度要求高、加工工艺性差的特点，在其制造和使用过程中产生变形问题，已严重阻碍航空发动机的发展。本文对如何更好地控制薄壁零件加工变形作如下分析。

1 影响薄壁件加工变形的因素及控制方法

1.1 影响薄壁件加工变形的因素

影响零件变形的因素是多方面的，包括设备刚度与精度、毛坯余量、装夹与支撑方式、切削参数与走刀路径、零件内部残余应力等。其中对加工变形影响最主要的因素有材料内部的残余应力、加工过程的切削力、工装夹具的装夹力。加工路径的不同会影响到整体结构件内原有残余应力的释放顺序，造成整体结构件的不同刚度特点发生变化，导致零件发生不同程度的变形。随着整体结构件加工过程的进行，毛坯材料被逐渐切除，工件的刚度也随之不断减小，加上切削力和切削热的作用，使得整体结构件内产生新的残余应力。据统计，至少有20%的加工误差是由装夹及定位造成的。影响加工变形的最主要因素是毛坯残余应力，约占变形的70%~80%。由于薄壁结构件在加工过程中材料去除量高，甚至能达到90%。

1.2 加工变形控制方法

针对零件加工变形的主要因素，可采取毛料精化、刀具结构优化、装夹方式和工装结构改进、切削走刀路径优化以及残余应力均化等措施控制零件加工变形。

2 控制变形措施应用实例

2.1 某薄壁零件结构特点及技术要求

该零件为大型薄壁筒体结构，由前后安装边、筒体、安装座焊接而成，壁厚1mm，轴向尺寸539mm，直径尺寸Ф1098mm，材料为钛合金，属于难加工材料。技术要求：端面平面度与平行度0.01mm，径向跳动0.3mm，安装边上孔位置度 Ф0.1mm，径向安装座孔位置度Ф0.2mm。

2.2 改进前零件加工工艺

该零件主要加工部位为前后安装边、外型面安装座、前后端面孔及安装座上孔。工艺路线为：集件→焊接前后安装边→热处理→化学铣切→车前安装边→铣端面及钻镗孔→镗前安装边上孔→车后安装边→铣端面及钻镗孔→镗后安装边上的孔。

2.3 存在问题

（1）壳体毛料为焊接结构，焊后及机加后零件产生较大的内应力，放置后因应力释放导致的变形也较大，造成零件精度较差，影响组件装配精度；（2）安装座端面平面度及平行度0.01mm，受后续安装座端面及孔铣、钻、镗工序影响，零件径向跳动量发生变化，导致零件该部位尺寸及技术条件不合格，影响生产进度和装配质量。

2.4 工艺改进措施

2.4.1 毛料结构优化。由于零件壁厚薄，焊后变形大，故整个零件毛坯由焊接结构调整为整体锻件结构。改进前，各座子中心位置跳动量平均为0.24mm，改进后各座子中心位置平均跳动量为0.15，座子相对位置精度提高50%。有效避免焊后因内部应力释放引起的变形问题，提高了零件结构尺寸精度与各安装座间的相对位置精度。

2.4.2 工艺路线优化。零件原加工工艺采用车前后安装边、铣削安装座端面、钻孔分开加工，零件存在多次定位装夹，造成零件尺寸精度低，技术条件难以保证。改进后采用车、铣、钻、镗合并加工。在铣端面及钻镗孔工序中将技术要求高的安装座放在最后加工，零件变形减小，尺寸及技术条件易于保证。

2.4.3 装夹与支撑技术应用。该零件加工时壁薄、刚性差，加工时易产生振颤、让刀及加工变形；为了减小壳体变形量，在夹具设计中采用径向可调辅助支撑提高零件径向刚性，从而增强工艺系统的稳定性。根据零件的结构在夹具设计上辅助支撑采用6个扇形块，辅助支撑底部与底座连接处采用T型槽形式可实现快速换装，以减小零件切削加工过程中的振颤，从而控制零件的加工变形。

2.4.4 数控程序与走刀路径优化。在数控加工过程中，考虑到机床Y轴精度有0.06mm漂移误差，故在加工端面孔时，由以往在Y轴正向钻加工起始孔，调整为在X轴正向钻加工起始孔，避免了因机床精度影响零件加工精度问题。精密安装座深度尺寸公差为4+0.050mm，粗糙度0.8μm，平行度及平面度为0.01mm。改进前，数控程序采用顺序加工，未考虑后续加工其它安装座时对该处尺寸及形位公差的影响。改进后，将此安装座按排在最后加工，并分为9个工步：①粗铣端面；②粗铣上孔；③粗铣下孔；④开槽；⑤粗铣轮廓；⑥精铣上孔；⑦精铣下孔；⑧精铣轮廓；⑨精铣端面。

2.4.5 优化检测方法。因零件结构尺寸大，改进前，零件加工完成后采用卡尺测量直径尺寸，操作者不便检测，且存在检测误差大的现象。改进后，采用在线测量技术，极大方便了检测精度与效率。

2.5 零件技术指标保证情况

零件安装座端面平行度、平面度由改进前的0.02mm、0.012mm均提高到0.01mm，孔位置度由改进前的Ф0.16mm提高到Ф0.03mm。

结语

针对薄壁零件加工变形问题，采取工艺路线与走刀路径优化、辅助支撑等措施，改善了零件加工过程中受力不均衡的状态，加工变形得到有效控制。采用铣车复合加工技术将工序合并，较传统加工方式，加工工序由6道减少到2道，提高加工效率40%，相对位置精度及表面质量显著提高。同时，采用在线测量技术，提高了检测效率与产品质量。经实际验证此次攻关改进措施切实有效、可行，对其他同类薄壁零件变形控制具有一定的参考价值。

[1]康小明，孙杰，苏财茂，等.飞机整体结构件加工变形的产生和对策[J].中国机械工程，2004（13）：12-15.

[2]王文理.大型整体钛合金框的数控加工技术[J].航空制造技术，2010（24）：65-67.

[3]唐亚彬.基于有限元分析的薄壁结构件加工变形预测方法研究[D].哈尔滨工业大学，2012.