盘心引气套加工新方法

2020-09-26中国航发西安航空发动机有限公司陕西西安710021冯永星

金属加工(冷加工) 2020年9期

■中国航发西安航空发动机有限公司（陕西西安 710021）冯永星

盘心引气套是我单位新研制的某航空发动机零部件，属于薄壁环形件，其典型特点是壁薄，尺寸精度及几何公差要求高，加工时需要控制零件的整体变形量，确保零件符合设计图样的总体要求。此文是笔者根据在科研试制过程中，通过对该零件装夹方式、刀具形式、走刀路线及加工参数等的不断摸索、不断尝试所总结出的一种加工方法。

1. 零件介绍

零件如图1所示，其材料为GH4169高温合金，热处理状态为固溶时效。零件总长210mm，其左端槽为整个零件的设计基准，轴向尺寸最严公差为0.05mm，径向尺寸最严公差为0.04mm，零件最小壁厚2mm，且壁厚均匀度要求≤0.05mm，同时薄壁处内孔、外圆均要求对基准A、B的跳动≤0.05mm。

2. 工艺难点分析

（1）基准槽加工困难端槽是整个零件的基准，大部分轴向尺寸都与基准A相关；基准B公差只有0.04mm，需要使用槽刀加工，尺寸难以保证。同时，要保证零件跳动≤0.05mm，基准A的平面度及基准B的圆度要控制在一个很好的范围内，这一点也很难控制。

（2）端槽内外环槽难加工从图1可以看出，需要在宽度4mm的端槽下端加工出一个直径2.5mm的环槽，环槽中心到基准A的公差为±0.05mm。加工时所用刀具的结构既要保证其不与零件干涉，也要确保其具有足够的刚性来切削，这对刀具设计提出了很高的要求。

图1 零件

（3）外圆内孔跳动难保证跳动是一个综合评价指标，同时包含了被测要素自身的形状误差及被测要素与基准的位置误差。本文所涉及的零件要求外圆、内孔对基准A、B的跳动≤0.05m m，也就是同时要控制外圆、内孔自身的圆度、与基准A的垂直度及与基准B的同轴度，这在薄壁长零件的加工中很难控制。

（4）壁厚均匀性难保证从图1可以看出，零件壁厚2mm，壁厚的均匀性要控制在0.05mm以内，而薄壁零件在加工时往往会出现因系统刚性不足而产生的让刀现象，导致壁厚难以保证，壁厚的均匀性更难以控制。

3. 解决途径及效果

由上述分析可以看出，零件加工时主要问题集中在基准加工、刀具设计及减小零件变形这几个方面。根据本文所述零件的具体结构，结合本单位的设备情况，通过尝试，我们选择了如下解决方案。

（1）合理装夹抑制零件变形这部分通过4个方面实现。

1）加工顺序的安排。粗车时由于零件壁较厚，采取粗车大端→粗车小端的路线，均采用软爪装夹，考虑到工序间热处理的因素，粗车给精车单边留余量2m m。精车时由于最终壁厚为2mm，故在加工顺序的安排上采取精修大端→精车小端→精车大端的工艺路线。

2）精修基准的装夹。如图2所示，精修大端时由于零件壁厚内外各有2mm余量，壁厚较厚，因此采用长软爪来装夹零件，加工后在自由状态下零件圆度为0.01mm，达到了后续工序装夹的要求。

图2 精修基准的装夹

3）精车小端的装夹。精车小端是该零件精加工时的一道关键工序，本工序需要严格控制被加工内孔及外圆自身的圆柱度及相互的同轴度，只有这样才能保证最终验收时内孔、外圆对基准A、B的跳动≤0.05mm，确保壁厚的均匀性≤0.05mm。同时，如何减小或消除整个切削系统的振动，保证零件表面质量也是该工序的关键。

装夹方式上，本工序依然采用软爪进行装夹，车内、外孔时分别采用不同辅助方式来减小零件变形及振动。在加工时按如下步骤进行：粗车内孔→精车内孔→粗车外圆→精车外圆→精修内孔。

零件总长210mm，车内孔时零件及刀具悬伸都比较长，导致整体刚性差，切削时极易出现振动及让刀现象。针对这个状况，选择直径为40mm的镗孔刀，同时采取传统的在零件表面缠绕橡胶皮（或自行车内胎）的方法，这是一个难度小、成本低，但效果极好的方法。需要说明的是，在缠绕橡胶皮时注意以下几点：首先要控制缠绕橡胶皮时的张力，过大的张力会导致零件变形，但张力过小又起不到减振及抑制变形的作用；其次，在缠绕橡胶皮时要均匀覆盖整个零件，避免因覆盖不均匀而导致零件局部变形或内孔呈波浪状，无法保证尺寸及几何公差；最后，从安全的角度出发，在缠绕橡胶皮时要注意旋向及胶皮末端的位置，避免胶皮因零件高速旋转而松动，或胶皮末端缠绕切屑而出现质量或安全事故。

车外圆时先要去掉缠绕的橡胶皮，换用中心盖板辅助支撑，用机床尾顶尖顶住中心盖板，如图3所示。这里有两点需要说明：①中心盖板与零件内孔的间隙控制在0.005～0.015m m，不宜过大，否则后期的跳动很难保证。②由于是薄壁零件，因此尾座的压力不宜过大，这一点可以通过在零件上压百分表逐步调整。

图3 机床尾顶尖顶住中心盖板

4）精车大端的装夹。精车大端时零件夹持部位厚度只有2m m，在外力的作用下很容易产生变形，导致零件松动或者尺寸、几何公差等超差。因此在确保零件可靠装夹的同时，如何抑制装夹变形是本工序的重点。

根据上述分析，设计了如图4所示的专用夹具来装夹。夹具由转接盘、支柱、顶块、定位环及螺钉等几部分组成。加工时将零件安装在夹具的定位环上，拧紧4个紧固螺钉，推动顶块与零件外圆紧密贴合，起到紧固零件的作用。为使零件装卸方便，同时兼顾定位的可靠性，零件与夹具定位环为间隙配合，但是间隙不应该＞0.02mm。为了避免零件压伤，采用铜质的顶块，顶块一端呈圆弧形，与零件外圆紧密贴合。

这种夹具在使零件可靠定位的同时，很好地解决了薄壁零件易受外力变形的情况，满足了加工该零件的需要。本工序进行完后，在自由状态下基准A平面度≤0.005mm，基准B圆度≤0.01mm。

（2）合理选择刀具及规划走刀路线该零件在加工时另一个难点就是大端环槽，如图1所示大端槽宽4+0.05+0mm，内孔一侧公差为0.04mm。同时，在端槽内部要加工出宽度为2.5mm的环槽，环槽中心距基准（4±0.05）mm。这种空间狭小的窄形槽在加工时无论对刀具设计还是程序规划都提出了严格的要求。

1）刀具设计。端面形槽的特点决定了刀具刀头部位总宽度不能＞4mm，否则会与端槽内壁产生干涉；刀具切削刃的悬伸长度不能＜1.35mm，否则无法保证环槽的深度。因此在设计时既要保证刀具的整体刚性，也要满足切削时环槽的尺寸要求。

图5所示是最终加工零件时的刀具示意，该刀具有如下特点：①采用了整体硬质合金机夹刀片的形式。②根据零件的具体形状，将刀头设计成43°，解决了刀头总宽度不能＞4mm的限制，同时有利于排屑，避免了切削时由于夹屑导致断刀。③切削刃圆角为1mm，在保证刀片强度的同时降低切削力。

图4 车大端夹具

图5 刀具示意

2）程序规划。刀具在狭窄的区域内运动，需要合理规划刀具路径，并通过模拟、仿真的方式进行验证，否则在切削过程很容易出现过切、碰撞等问题。当加工刀具为圆头刀时，应该使用刀具圆心为参考点规划刀具路线，这样规划出的刀路整齐并易于检查。

图6所示是加工环槽的刀具路线，采用往复式切削，进退刀时均以P点为圆心滚动刀具，这样可以保证刀具在最小的空间内运动，从而避免切削时过切、碰撞等现象的出现。

图6 刀具路线

（3）加工参数表1列举了精加工内外圆及大端环槽时的切削参数，加工时使用的机床为中国台湾产NEX-110数控车床。由于不同的机床结构及系统刚性，在加工中切削参数也会存在差异，因此在实际加工中要根据车间设备的状况进行调整。

针对表1中的参数，有以下几点需要说明：①精车内孔的切削速度数值是更换全新刀具后的参数。车内孔时刀具伸长量较长，整个切削系统的刚性都比较差，当同一刀具进行反复切削时会出现严重的让刀及振动，这种让刀及振动会加剧刀具的磨损，从而使切削状态变得更差。经过加工试验，新刀具加工后内孔前后直径差在0.02mm左右，当刀具进行第二次切削时，内孔前后直径差在0.10～0.18mm，无法满足加工要求。②车环槽时刀具刚性差、排屑空间小，因此选择了较为保守的切削参数，这样可以避免切削抗力过大或者夹切屑导致的刀具断裂。

表1 切削参数

4. 改进效果

该零件加工后所有特性均合格，在自由状态下，基准B的尺寸在φ152.02～φ152.04mm；外圆内孔对A、B基准的跳动最大值为0.045 2 +0.1+0m m，壁厚为2.07～2.09mm；198.7－0－0.05m m尺寸实际为198.68～198.70mm；环槽中心距基准A尺寸（4±0.05）mm实际为3.98～4.01mm，主要特性均在较好的状态，完全符合零件验收的要求，圆满完成了此次科研试制任务。