大直径薄壁铝机匣加工技术

冯守胜 吴宏春 周晓茜

摘 要：大直径薄壁铝机匣类零件在我国属于首次自主研制，缺乏大量的基础数据及相关设计、制造经验，许多关键技术领域尚属空白。对于机匣类零件普遍存在加工变形问题，大直径薄壁机匣表现得更是尤为突出，甚至成为此类零件加工制造过程中的瓶颈。本文以发动机外环为载体，从机匣变形控制的角度切入，研究、摸索大直径薄壁铝机匣的机械加工技术，主要从工艺路线、切削参数以及工艺装备等3个方面进行研究，阐述控制薄壁件的变形因素及相应的控制措施，最终形成稳定的工艺方案。

关键词：大直径；薄壁；变形控制

中图分类号：TG457 文献标志码：A

0 引言

随着发动机设计性能的不断提高，其机匣的设计精度越来越来高，重量越来越轻，使之机匣的设计结构越来越趋于复杂，加上难加工材料的使用，这给机匣在加工中如何安排工艺路线、如何切削控制变形带来了极大的难度，特别是壁厚极薄的型面复杂机匣加工、变形量的控制、数控走刀路径及切削参数优化更是该类零件制造技术提升的关键。

1 研究目标

自由状态下直径表面跳动1.0max、内表面自由状态下同轴度0.5 max。

构件类型。该构件毛坯材料为铝合金锻件，最大外径约Ф1800mm、内径约Ф1700mm、总高约400mm、最薄壁厚约4.0mm，外型面有多处倒喇叭口结构的周向加强筋，该构件属于大直径、薄壁类整体环形机匣。

2 试验

2.1 总体技术方案及其实施过程与效果

2.1.1 机匣结构分析

该构件是整体环形机匣，其典型特征是机匣外型面的两级双侧倒喇叭口结构的圆周加强筋，这是区别于以往所有机匣的最主要特征。

这一特征限定了其外型面的铣削加工方案，每级加强筋轴向涵盖区域内，普通端铣刀无法达到加强筋内部区域完成相应位置的加工，仅能使用球铣刀以多分层、高密度、变倾角的刀轨来逐层去除余量。

如图1所示，外型面的倒喇叭口结构加工区域分为1、2、3、4，其中1、2、3区域加工方案相同，4区域单独设置加工方案。对4个加工区域而言，首先要分成水平面、竖直面和45°斜面3个子区域。加工时采用φ13球銑刀，对于1、2、33个区域，每个子区域采用单一操作逐渐变化角度的方式即可完成，就整个加工范围来分析，从T点到E点，其刀轴方向会有约1.5°的微量变化；对于4区域，除45°斜面子区域外，其余两个子区域内至少要采用两个操作进行角度变换才能衔接完成，从T点到E点，刀轴方向会有约7°的变化。

同时，该构件属于大直径、薄壁铝合金机匣，其结构决定了切削过程是金属去除率非常大的加工过程，变形控制是重要的关注点。

2.1.2 机匣变形原因分析

（1）材料

该构件毛坯材料是锻铝合金，其高强度锻铝在热态下具有高的可塑性，易于锻造、冲压，可以热处理强化，在淬火及人工时效后的强度与硬铝相似，工艺性能较好，但有挤压效应，故纵向和横向性能有所差异，抗蚀性较好，但有晶间腐蚀和倾向，可切削性能良好。

（2）机加原因

第一，该构件毛料为铝合金环形锻件，外型轮廓尺寸为φ1840×φ1670×φ430，金属去除率为87.5%，属于大余量的数控切削加工，而且大部分余量去除集中在粗加工工序， 易产生机加应力，在后续加工中不断地释放应力、持续的变形，如图2所示。

第二，工装夹具也是限制机加工艺的另一因素。对于外环这样的薄壁机匣，后期的加工刚性较差，加工状态很不稳定，如果没有合适的支撑夹具配合切削加工，加工的效果不会很理想，而且会产生一定的颤动，影响构件加工后自由状态的变形。

第三，工艺路线的安排也会对构件变形造成影响。工艺路线安排的顺序不同，构件去除余量的先后顺序也就不同，中间工序的加工状态也会有所不同，所有这些作用在构件的最终质量上，就会影响构件的变形。

2.1.3 机匣变形控制方案

针对影响机匣变形的几个原因，主要从机加方面有针对性的采取相应措施，最终达到减小变形、控制变形的目的。

（1）工艺路线安排

大部分余量的去除集中在粗加工工序，大范围的切削发生在车、铣工序，因此工艺路线主要针对车、铣工序，特别是两道粗车工序，从构件刚性、装夹稳定性和实际可操作性等方面考虑，在两道粗车工序之前，增加了一道车工艺边工序，这样增加了后续粗车工序构件装夹的稳定性，保证构件可靠压紧固定。同时还要考虑两粗车工序的加工顺序、去除余量的先后，使工序的刚性增加。

针对该构件的主要工艺路线为：车工艺边—粗车前、后端 —粗镗定位孔—粗铣外型—半精车前、后端—精镗定位孔—精铣外型—精车前后端—铣平面及钻镗径向孔—钻镗端面孔 。

（2）工艺参数、设备选择

构件壁薄、刚性差，导致加工过程存在很大切削力和变形现象，使高精型面难以保证，还须从切削参数上优化细化。

粗车工序，加工设备为普通立车， n=35r/min～50r/min，f=0.2r/min～0.3mm/r，ap≤2.0mm。

半精车及精车工序，加工设备为数控立车，工作台直径φ2.25m，参数见表1。

所有铣加工工序，加工设备为五坐标立式斜摆头加工中心、工作台φ2.6m×2.2m、加工空间容积15200dm2，参数见表2。

（3）装夹、支承方案

薄壁类机匣具有直径大、壁厚薄、刚性差等特点，在车、铣、钻加工中非常容易变形，使构件严重超差，为解决这一问题，采用带有辅助支撑结构的夹具（图3），使构件在加工中不震动，从而提高了构件的加工精度。

辅助支撑支撑在构件相对最薄弱的部位，再采用一个自适应的加紧机构来辅助构件减少震动。

采取橡胶圈减震机构和自适件，自适应可调机构通过转动球可随意根据构件高低不同来夹紧构件，使构件牢固不震动。

采用实心圆弧面支撑块、多层，可极大地提高辅助支撑作用。实心圆弧面支撑块可以承受加工中很大的切削作用力，可起到增强构件刚性的作用。

辅助支撑操纵机构，采用快换方式，可同时实现内外支撑和加工，提高加工效率及精度。

（4）自然时效

基于不同时间长度对各台份粗车后进行自然时效，以弥补热时效的作用，力求释放粗车工序给构件内部带来的机加应力。提前释放构件的机加应力，可以极大地改善构件后续加工的状态，避免应力在加工过程中释放而加剧构件变形，影响构件质量。

2.2 达到的技术指标

第一，掌握适合大直径薄壁铝合金机匣数控加工的较为完善、稳定的工艺路线安排，可以满足批量生产的要求。

第二，形成一套高效加工的数控程序，包括每个工序的加工策略的制定、加工刀具和加工参数的选择等，特别是针对外环外型面独特的倒喇叭口结构的铣削加工方案，整个过程非常成熟和流畅。

第三，掌握工装夹具对于此类构件加工的辅助作用，包括加工前的装夹支撑方案、构件找正要点，还有夹具定位方案设计、支撑方案设计等对于构件加工的影响。

第四，掌握非冷工艺安排对于机加质量的影响，可以合理的在加工过程中安排时效处理来弥补冷加工自身的缺陷。

第五，就该种材料构件的加工时间和刀具消耗而言，整个过程已处于高效的切削狀态，单台份刀具消耗量极少，没有明显变化。

最后，按照此套工艺方案加工3台份，完成方案的验证。

2.3 结果与分析

第一，对于类似于外环的大直径薄壁铝合金机匣构件，金属去除率特别大，而且非常集中，因此在制定工艺路线时，要在金属去除率最大的粗加工工序之后，增加时效工序，给予构件充分的释放应力过程。

第二，在粗加工和半精加工阶段，加工前的找正要采取“多点对点找正”的方式，这样不仅可以降低找正难度，而且可以使构件在自由状态（或接近自由状态）下完成加工，去除前面工序的椭圆部分，最终逐渐形成较好的自由状态圆度。

第三，对于铝合金构件的大余量切削，要采用小切深、大进给的方式，这样可以减小加工过程中构件与刀具之间的作用力，从而减小构件变形。

第四，对于铝合金这样刚性较差的构件而言，在安排路线时要格外注意每个工序的刚性和所有工序的刚性总和，必要时采用可靠的辅助支撑夹具增加构件刚性，以保证加工过程的平稳性。

参考文献

[1]王爱玲，等.机匣制造技术[M].北京：国防工业出版社，1993.

[2]王世敬.机械制造技术[M].北京：中国石油大学出版社，2009.