密封篦齿环工艺研究

王世威

摘 要：本文是对某机封严环零件的加工工艺进行研究，根据零件的结构特点和加工精度的要求，结合高温合金材料特点，借鉴以往类似零件的加工经验，除了要依据设计图纸的技术条件安排必要的检验工序外，还应该考虑如何降低零件在加工过程中所受的切削力，减小几何变形，以此来提高零件的加工精度。

关键词：高温合金；型腔复杂；薄壁零件

中图分类号：TH49 文献标识码：A

1 引言

随着航空领域竞争的日益激烈，航空技术的不断发展与进步，对航空产品的机械性能提出了较高的要求。对于结构尺寸小、重量轻、精度高的薄壁零件的要求越来越多，在新型飞机结构设计与制造过程中，结构性强，重量轻，这就意味着能够提高航空产品的机动性，增强其所携带的负载能力并能获得更远的飞行能力，延长航空产品空中飞行能力。因此，在航空港产品的设计与制造的过程中，普遍采用了整体结构设计。整体结构可以减少零件的数目、降低结构重量，飞机可靠性成数十倍地提高。该封严环为GH141材料，结构复杂，加工难度大，技术条件要求高，材料硬度高、无专用刀具及夹具，通过材料结构分析，制定合理的工艺路线，选择适用的刀具，确定精车加工余量，利用组合夹具加工，减少零件变型，使零件加工能够得到保证，并达到设计要求。

由于机械加工的薄壁环型零件的材料为GH4169切削加工性较差，加工硬化现象严重，为解决问题，吸收了以往的加工经验，控制零件变形量，确保零件产品质量得到保证为确保公司新机生产中任务进度，解决类似零件的加工质量和生产能力是非常重要的。

2 工艺研究

盘前密封篦齿环为GH141材料，结构复杂，台阶篦齿，加工难度较大，技术条件要求高，跳动要求不大于0.03mm，壁厚2mm～3mm，材料硬度高（高于GH4169材料），通过零件结构分析，制定合理的工艺路线，选择适用的刀具，确定精车加工余量，利用组合夹具加工，减少零件变型，使零件加工能够得到保证。由于机械加工的薄壁环形零件的材料为GH141切削加工性较差，加工硬化现象严重，为解决问题，吸收了以往加工GH4169材料经验，控制零件变形量，确保零件产品质量得到保证，为确保公司新机生产中任务进度，解决类似零件的加工质量和生产能力是非常重要的。为解决以上技术关键，从国外先进技术出发，结合目前的生产情况，合理的利用现有设备，收集数据，总结零件变型规律，有针对性制定具体措施，优化工艺，固话切削参数，改进夹具结构和切削方法。采用精车利用专用夹具，通过对零件的分析，制定合理的工艺加工方法，加工中精加工可采用高精度车床加工，以确保零件的精度要求，钻铰孔采用数控铣床，花键槽采用电加工慢走丝设备，做到设备的合理使用。

我们从生产实际出发，针对零件结构特点分析出加工难度，研究确定加工方案，制定出合理的工艺路线。

（1）加工阶段的划分

粗车阶段：这个阶段要切去毛坯大部分多余的金属，使毛坯在形狀和尺寸上接近零件成品。

半精车阶段：切去的余量在粗、加工工序之间，留有一定的精加工余量，为精加工做准备。

精加工阶段：切去的余量很少，其目的是保证各主要表面达到规定的图纸，尺寸精度和粗糙度要求。

（2）合理使用设备

加工过程划分后，组加工可采用功率大，刚性好和精度较低的高效率机床，精加工可采用高精度机床，以确保零件达到设计要求，选择合理的切削参数，从中收集试验数据，摸索加工规律，吸收总结先进的加工经验，以便在以后的加工中推广应用，并采用先进的数控加工技术，适应未来制造技术的发展需求。

3 加工方案的制定

对零件进行工艺分析后，确定出工艺难点：篦齿外径直径301.52-0.04，直径295.52-0.04，直径289.52-0.04，对基准AB跳动为直径0.03，基准A对B的垂直度0.03，由于零件壁薄，在加工时极易产生变形，加工难度大。

盘前密封篦齿环零件在加工过程中极易产生变形，为解决零件易变形，必须合理安排工艺路线，特别在装夹过程中，要选择合理的定位基准和夹紧方法，既要保证零件的加工可行性，又要减少切削产生的应力对零件变形的影响，在加工篦齿环时，采取留工艺台的方法，使加工篦齿得以能够进行，并运用普通车床和数控车床相结合进行加工，采用逐步去除余量和及时修正变形的工艺方法。

通过对零件的分析，制定合理的工艺加工方法，选用合理的设备，加工中精加工可采用高精度车床加工，以确保零件的精度要求，做到设备的合理使用。

工艺路线：0毛料图表—5车超声波第一面—10车超声波第二面—15洗涤—20超声波检查—25粗车一端—30粗车另一端—35消除应力热处理—40车基准—45车另一端—50精车内孔—55精车外圆及篦齿—60标印—65车倒角—70洗涤—75荧光检查—80洗涤—85中间检查—90喷涂篦齿—95喷涂后检查—100静平衡—105平衡去重—110洗涤—115荧光检查—120洗涤—125最终检查—130包装入库。

4 工序加工

盘前密封篦齿环零件在50工序进行精加工，在加工内孔基准尺寸时，由于内孔表面尺寸公差严，零件基准断面对基准A垂直度0.03，要求较高，给车加工提出了很高的要求，现采用合理的定位表面和压紧方法，选择合理的切削参数，达到了图纸要求。55工序，精车台阶篦齿时，对基准AB跳动为0.03，由于零件材料为GH141，台阶篦齿宽度有限，加工中需要刀具有较高的加工性能，在加工中冷却液要充足以降低刀具的温度，防止刀具损坏和打刀，在加工中要随时观察加工情况，如果刀具磨损严重应更换新的刀具，通过加工本工序，积累了加工经验，为GH141材料零件提供加工参数。100工序和105工序，静平衡，对薄壁零件喷涂后进行平衡去重，本身就有相当大难度，更是由于喷涂的原因，更是不易保证剩余不平衡量。在保证夹具平衡的基础上，去重部位采用数控铣床，保证铣削部位及去重的准确性，达到设计要求。

加工设备采用普通车床和数控车床TUR30。加工特点如下：

（1）刀具容易磨损，高温合金中的碳化物硬度高，使刀具加剧磨损，在前刀面上产生月牙状磨损。

（2）加工硬化现象严重，硬化层的硬度比基体大。

（3）切削温度比较高。

（4）切削力大。

（5）切削过程中，容易产生积屑瘤，不仅加剧刀具磨损，还会引起已经加工表面出现断裂现象，降低表面质量。

加工注意事项如下：

（1）由于切削力大，切削温度高，要求刀具、工件及机床工艺系统刚性好，刀具材料应选用耐磨损，强度高，导热性好的材料。

（2）为了减少加工硬化，应正确选择切削用量，进给量和切削深度不宜过小，已防止在硬化层中切削而降低刀具寿命。

（3）高温合金导热性差，切削时局部温度较高，线膨胀系数较大，容易产生热变形，精加工时宜采用充足的冷却液。

5 切削加工过程仿真

切削加工是一个包含复杂的热、力、机械的耦合过程，是一个复杂的高度非线性问题，其加工过程中的温度、应力、应变等也很难准确实时获知。切削加工模拟则可以在计算机中再现工件和刀具相对运动的全过程，动态显示热流、相变、温度和应力等分布情况。

（1）力分析

不同时间节点工件的应力分布变化不大。金属切削过程中存在三个变形区：切削层金属经受塑性变形成为切屑的第一变形区，刀具与前刀面产生摩擦的第二变形区和刀具后刀面与新形成表面接触的第三变形区，因为刀具锋利，所以第三变形区被忽略。图是钻削模拟达到稳态时的应力分布，位于第一变形区，这是由于金属在第一变形区发生极大的剪切变形，切屑的应力随着切屑的卷离前刀面而逐渐得到释放，工件上只在靠近切削区处存在应力，而遠离切削区的区域应力很小。由第一变形区最大应力的等值线图可知，剪切面并非理想的平面，而是一个有一定带宽的变形区。该狭长的区域与切削速度方向的夹角为剪切角，增大剪切角可减小作用于前刀面的切削力，有利于减少刀具磨损，降低能量消耗等。通过改变刀具的几何角度可以改变剪切角，因此通过改变刀具的几何角度可以达到减少刀具磨损的目的，从而有效的提高加工效率，降低加工成本。

（2）温度分析

最高温度出现在刀—屑摩擦区域而非第一变形区。这是因为切削层材料经过剪切面成为切屑流出时，被均匀加热一次，当切屑经过刀—屑接触摩擦区域时由于摩擦再一次被加热，而之后在空气中逐渐冷却。随着加工过程的深入加工温度随之升高。工件温度低可减少工件热变形，提高加工质量，刀具温度低可提高刀具使用寿命。但是对于钻削来说，如果钻屑不能及时排除，钻屑的热量将传递给涡轮轴和钻头，直接影响加工精度。所以，钻屑的及时排出对于钻削加工是一个特别重要的问题。

结论

封严环为GH141材料按现在的工艺路线加工，顺利的完成，达到了设计要求，说明工艺路线合理，工装刀具能够满足加工要求，选用的设备正确合理，为定型后大批量生产奠定了非常好的基础。通过非封严环零件的加工，对零件的工艺方法有了深入的了解，积累了加工经验，为定型做好了准备，加工过程中遇到了许多的困难和问题，在解决问题的过程中，经过不断学习和研究，提高了技能，增长了知识，积累了宝贵的经验。

按照之前确定评审的加工方案，以及对加工过程中各加工参数的细化适时调整，进行零件的加工验证，做大限度的降低了零件在加工过程中的变形，提高了零件的加工精度及合格率，保证了零件的合格交付。

参考文献

[1]顾方刚.篦齿密封装置标准的剖析[J].航空标准化与质量，1982（04）.