钛合金薄壁鼓筒类零件加工变形控制

林红军+朱颖+闫龙

摘要：本文针对影响三级鼓筒薄壁钛合金件精度的加工因素给予分析，三级鼓筒零件属于飞机发动机关键的旋转部件，零件的直径较大，高度较高，壁厚较薄，零件整体刚性差，加工变形严重，零件多处直径尺寸公差为7级精度，零件内外圆表面相对于基准圆周跳动大多要求为0.03mm，加工后难以保证尺寸精度及圆周跳动要求。主要从工装的改进优化入手，对零件加工变形进行控制，通过增加软辅助支撑改进工艺装备，解决了工件尺寸大、精度要求高、壁厚薄变形控制难度大等技术难题，同时通过进一步优化了走刀路线，制定了具体加工方案及工装完善，从最大限度上减少零件加工变形，提高加工精度，保证产品质量。

关键词：薄壁钛合金件的加工 精度 切削状态分析 软辅助支撑 变形控制

1 问题的提出

1.1零件概况分析

三级整体鼓筒是法国SNECMA公司在我公司转包生产的第一个鼓筒类零件，它的毛料为整体精化原料，材质相当于国产材料TC4。鼓筒件是飞机发动机低压部分的关键件，此鼓筒零件最大直径为732mm，整体高度为331mm，壁厚最小处为2mm。我国传统的鼓筒类零件加工方法是先加工各级单体盘，再通过焊接进行组合。钛合金薄壁整体鼓筒零件的加工是一项非常先进的技术，此加工工艺制造技术的使用，无疑会给我国钛合金薄壁鼓筒零件加工技术带来革命性的提升，缩小与国外先进技术间的差异。三级整体鼓筒零件是我公司近年来数控加工产品中难度较大的零件，零件的加工精度要求较高，常规的加工方法很难保证产品的加工质量。

1.2零件工艺难点

三级鼓筒零件属于飞机发动机关键的旋转部件，零件的直径较大，高度较高，壁厚较薄，零件整体刚性差，加工变形严重，零件多处直径尺寸公差为7级精度，零件内外圆表面相对于基准圆周跳动大多要求为0.03mm，加工后难以保证尺寸精度及圆周跳动要求。

2 问题的分析与解决

2.1 零件的受力分析

薄壁零件车削时受力变形是多方面的。装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削加工区温度升高而产生热变形。因零件壁薄，刚性差，强度弱，在零件的装夹过程中，如果约束力过大，在夹加紧力的作用下，容易使零件产生变形，在此情况下加工零件待零件松开后，在加工应力作用下，零件产生加工误差；如果夹紧力不够的话，在车削过程中零件可能因松动产生振动变形，刀具也易损坏，造成产品报废。平时对于零件的加工夹紧力主要是不均衡，使零件产生变形，如果将零件上的每一点夹紧力保持均衡一致，理论上就不会使零件约束变形。换句话说，就是增大零件的约束接触面，从而减小每一点的约束力，根据公式P=F/S，可以提出约束力接触面越大，单位约束力越小，所以可以采用增大接触面积来减小对工件的约束力，从而减少零件的约束变形，提高零件加工精度。夹紧力的大小，可以采取粗车时夹紧些，精车时夹松些来控制零件的变形。

基于以上分析加工鼓筒薄壁零件时，可采取增加工艺边，工艺凸台，提高零件刚性，在零件加工结束时，再进行去除，也可以用于约束夹紧，以改进夹具结构，优化设计制造，合理选定约束方法来减少零件的装夹和加工变形，进而保证产品质量。

2.2 采用软支撑防振动夹具防止零件加工过程的变形

传统解决零件震动往往使用硬支撑方式进行辅助刚性加强，但这种方式在过定位表面自由度限制过程中，操作繁琐且难以有效控制零件装夹变形。为达到防止大型薄壁件加工变形且降低零件震动的目的，加工中采用了软支撑防振工装。（见示意图）该新式防振工装的优点是：辅助支撑机构柔性高、吸震能力强、承力均匀、可通过控制压紧力来控制过程产生的变形，防震性能突出。在加工外型面时，对薄壁、刚性较差的零件使用内部辅助支撑工装，而在加工内腔型面时，在整个零件的外型面上按各型面的具体型状安装辅助支撑夹具，提高整个零件在加工时的抗振能力。由于使用过程中，不会由于辅助减震部位的过渡压紧来产生装夹变形，因此可以达到其使用目的。

2.3 零件装夹注意事项

由于零件毛料去除的余量超过零件自身，如果在每个工序装夹过程中零件存在明显的装夹变形，那么引入的零件弹性形变将在零件加工完后重新释放，加上零件表面应力重新平衡造成的形变，零件的加工结果将是难以满足要求的。解决方法在于消除定位面悬空，做到压紧位置和支撑位置对称，保持零件在无装夹变形情况下的稳固压紧，并且分步加工，去除大余量过程中使用足够的夹持力，而在最终形成尺寸过程中调整夹持力，在保证稳定装夹状态下使用最小的装夹力来减小装夹造成的零件形变。装夹过程中要注意对压紧位置对应的远端部位用百分表或杠杆表测量压紧力造成的零件形变，在零件产生装夹变形量允许情况下，适当控制压紧力就可以获得直观准确的零件弹性变形估计值，这给后续的加工带来的较大的好处。

对在进行较大尺寸零件的加工过程中由于加工震动等问题的出现也需要对零件较为薄弱的部位进行辅助支撑，使用大面积的软支撑可以在减小零件震动趋势的同时尽可能小的施加支撑力，使支撑力均匀，加工过程中也能利用零件自身局部刚性来克服由于加工力引起的变形。

另外一种辅助支撑是在零件的相应部位使用一种先夹紧后定位的辅助支撑机构，该机构在夹紧过程中并不直接限制所有自由度而在完成对零件的夹紧后在按照已经形成的装夹状态将辅助支撑机构锁紧，这种辅助支撑机构的关键结构设计过程中要考虑到零件存在的微观结构不均匀性，每个零件的作用仅仅限制零件的少数独立的自由度。

3、 工装优化的意义

对于零件刚性差，加工中容易震刀，影响零件加工精度及表面质量的问题，在零件的装夹上进行创新，改变传统的刚性夹具结构，设计了快换、组合、柔性支撑夹具，改进传统加工工艺，采用软连接、组合式、快换柔性防震夹具，通过辅助弹性支撑提高零件刚性，夹具分为内外两套，在加工外型面时，换上内部辅助支撑工装，通过调整支撑位置，预制夹紧力，使软支撑与零件内表面完全贴合，有不能使零件产生变形，增加了零件的刚性，同时又能够将切削时产生的震动进行吸收，保证加工时的切削力量均匀、稳定；加工内腔型面时，依据零件外型面实际形状，安装多级辅助支撑模块，能够实现快速装卸，工作时预设夹紧力，保持各截面受力均匀、一致，提高零件强度及加工时的抗振能力与稳定性，零件加工表面质量得到了提升，提高零件加工精度与表面完整性。

参考文献：

[1]唐耿林.航空发动机制造技术发展及趋势.航空科学技术1997，3

[2]仲玉斌.发动机薄壁零件的加工.航空工艺技术.1990，4

[3]王运巧，梅中义，范玉青.航空薄壁结构件数控加工变形控制研究.现代制造工程.2005