某环段类零件变形控制加工技术

吴旭刚 王小琼 张启帆

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

1 研究内容及目标

某环段类零件为发动机改进设计时增加的零件，该零件的外径尺寸在φ530mm～φ616mm、内径尺寸在φ450mm～φ566mm、总高度尺寸为69.5mm，其最小壁厚位置尺寸仅为2mm，零件大、小端外圆存在盲槽结构，盲槽薄壁处存在两处与外圆同轴度要求相同的φ0.05mm的孔，盲槽端面有两处与大端基准跳动要求相同的0.05mm的孔且加工过程中不允许有接刀痕。该零件存在2个公差仅为0.044mm的直径尺寸、 2个公差为0.05mm的直径尺寸；零件后续须进行切断，为控制切断后的变形量，须在机加工时，减少机加工过程中产生的切削残余应力。

从零件结构上看，零件在加工过程中极易变形，尺寸及技术条件难以满足设计要求。为保证该零件能够合格交付并且使用，需要合理安排工艺路线、派制专用的夹具及非标刀具以及提高加工系统刚性，从装夹方案和装夹布局方面分析变形机理，制定变形控制方案，实现薄壁环形件装夹布局的最优化[1]，控制加工后的零件变形量，保证零件尺寸及技术条件满足设计图要求。

2 技术状态分析

该环段类零件需要与叶片单件在前机匣组件部位进行组合装配使用，在装配过程中出现叶片单件无法顺利装配在内环上的问题，针对上述发生的情况，须在装配时对该环段类零件进行加工修理，车修量在0mm～0.12mm，单件的返工影响组件的装配进度且对零件的质量控制产生恶劣的影响。

该技术研究从工艺路线安排、加工工艺方法、专用工装使用等多方面进行改进，探索影响零件装配不合格的原因，提高薄壁零件加工过程的稳定性，控制该环段类零件的变形量，从而提高其加工质量[2]，保证组件装配合格，并为该类型零件的加工变形控制积累加工经验，保证后续该类型零件合格。

2.1 零件装配关系分析

该前机匣组合件的装配过程如下。将风扇前机匣大端向下平放在工作台上，装配风扇静子叶片，然后装配某环段类零件，其中一级内环、二级内环整环装配叶片，最后将风扇一级内环挡块装配在风扇前机匣上/下半部上（如图1所示），用小十二角头精密螺栓/自锁螺母固紧，固定螺栓并拧紧螺母，保证机匣上/下半部结合面贴紧。

图1 前机匣组件中各零件的装配关系三维图示

查阅设计图尺寸，风扇内环与叶片上止口为间隙0.022mm～0.073mm（如图2所示），下止口为过渡配合，间隙为-0.038mm～0.126mm，从设计意图分析，零件实际加工尺寸应属于正态分布，因此零件装配属于小间隙配合，内环实际加工尺寸超过中差 0.01mm，就会存在装配障碍且由于每个环段须安装17个叶片，综合影响因素会加剧装配卡死的概率。

图2 配合位置的尺寸公差及间隙量图

2.2 数据分析

对此前装配部门反馈的两台装配不合格的该环段类零件进行数据统计分析，利用三坐标测量机对零件的实际数据进行检测，采集四段半环外圆点位，每半环采集8个点，利用最小二乘法拟合计算直径，对收集的零件外圆直径数据进行分析，零件变化趋势均为外圆直径增大且增大量已超出设计要求的极限间隙值，外圆直径增大值在0.096mm～0.183mm，内圆增大值在0.092mm～0.190mm，每个半环变形增大量差异较大，产生该变形的原因主要为零件整环切断后其内部应力的重新分布。

2.3 零件尺寸结构的分析

该环段类零件的直径尺寸较大且外圆直径尺寸及盲槽尺寸公差较为严格，为0.044mm/0.05mm且均为重要尺寸。零件毛料为整体锻件，半精加工中去除余量大，精加工时不易控制零件变形；大、小端盲槽常规刀具无法满足加工需求，须派制专用刀具；零件外型面与大、小端盲槽相接部位，无法一次加工成型，加工中须选择合理的接到位置以控制零件外表面接刀痕；零件壁厚较薄，内孔、外圆均需进行加工，加工中须考虑两侧均匀去除余量。

2.4 零件的材料特点

该环段类零件的材料为一种典型的钛合金，它具有中高等的强度和良好的耐腐蚀性且具备导热性系数低、弹性模量小等特点，导致了其加工过程中出现切削力大、切削温度高、刀具黏结严重的问题。该材料的弹性模量小，因此，该类零件在加工过程中的夹紧变形和受力变形较大，必要时应通过增加辅助支撑的方法增加加工系统刚性[3]。由于该材料的导热率较低，在切削加工过程中，刀具与工件材料的接触面上由于摩擦所产生的热量不能及时散发出去，使切削区域的温度升高，当温度达到工件材料的相变温度时，工件加工面的材料组织结构会发生相应的变化，造成零件变形，根据加工经验及相关的文献资料，该材料宜采用高主轴转速、小切削深度、大进给速度的加工方法进行机械加工。

2.5 工艺路线的分析

该环段类零件的毛料为锻件，机械加工的整体过程为粗车加工去除部分余量，各表面距最终型面剩余4mm余量时进行超声波探伤检查，然后半精车加工去除大部分余量，为后续最终的精车加工在各型面预留均匀的加工余量，进行稳定处理，然后进行精车加工，在各型面均加工至最终尺寸后进行铣槽、钻径向孔等钻、铣加工内容，最终进行切断。工艺路线初步设定为粗车-半精车-腐蚀检查-热处理-精车-铣加工-切断。通过对工艺加工过程的分析，零件各配合止口尺寸均在切断前完成，整环切断零件，其内部应力重新分配达到平衡，会造成零件一定程度的变形。因此为减少零件的变形量，应将零件各精密配合止口尺寸的加工调整至切断后进行。因此，将工艺路线优化改进为粗车-半精车-腐蚀检查-热处理-精车-铣加工-切断-精车型面。

2.6 工艺及加工过程分析

该环段类零件的最终精车工序在立式机床上进行加工，须直接放置在机床花盘上、支撑零件底面、压紧零件上表面进行装夹加工，由于零件安装边厚度仅为3mm，上下端面侧壁的壁厚仅为2mm，零件在加工过程中受到切削力的作用，其薄壁位置会存在较大的翘曲变形现象，因此，该装夹方式不利于控制零件变形量，应对精车工序的装夹方式进行改进。

零件切断工序借助线切割设备进行，因此，采用八点压紧方式，即切断后每1/4个半环由于仅剩余两处压紧，存在切断后定位不稳定情况，不利于零件切断时的变形控制，因此，也应对切断工序的装夹方式进行优化。

3 加工方案制定

通过以上分析，该环段类零件整体的工艺优化过程可概括为以下几点：1）优化工艺路线及控制余量，保证配合止口在半环状态完成；2）优化装夹方式， 保证零件处于稳定的受力状态；3）优化加工过程的方法及参数，减少加工应力、控制变形。

3.1 工艺路线优化

该文对零件的装配过程进行了分析，零件配合止口为外圆面且零件为半环自由状态装配，为保证零件加工状态与装配状态的一致性、协调性，将零件配合止口加工调整为切断后进行，防止由于零件切断后变形造成的止口尺寸变化，保证加工与装配状态的一致性。工艺路线最终确定为粗车-半精车-腐蚀检查-热处理-精车-铣加工-切断-精车型面。

3.2 余量优化

通过对零件变形数据的分析可知，零件最大变形量为0.19mm，综合考虑零件二次装夹等累计的误差，零件切断后预留0.4mm余量进行精车外型面，保证零件精车后消除由于切断变形引起的零件翘曲变形。

3.3 零件装夹优化

为控制零件加工过程中的受力变形，零件在车型面工序采用自制铝盘进行定位装夹，装夹效果如图3所示，减少加工切削力对零件变形造成的影响，为零件加工创造稳定的装夹环境，防止零件变形。

图3 零件装夹三维图示

为提高零件切断前后的稳定性，设计组合夹具时，每1/4半环增加一处压紧位置，即每1/4半环采用三处压紧的方式，防止零件切断后，由于内部应力失去平衡造成零件变形。

3.4 加工参数优化

为提高零件加工质量、减少零件变形，半精车、精车工序的数控加工采用自动循环分层程序进行加工，固化零件每次走刀的切削深度，在各层的进、退刀位置设置过度区域，保证切削过程中零件受力平稳，避免由于加工过程中切削深度不均匀变化造成的零件内部切削应力累积，影响最终零件的尺寸及技术条件状态。

同时，为保证车加工工序的加工质量及加工效率，车加工转速应给定在30r/min～35r/min，加工进给速度应给定为 0.15mm/r～0.2mm/r，在刀具远离零件时，均采用大进给速度进行快速移刀。对精密尺寸的数控加工，应在余量较大时采用循环分层方式去除余量，在余量较小时合理运用程序暂停指令及时检测精密尺寸，在保证精密尺寸公差的同时提高加工、检测的效率。

4 加工方案实施

在该零件投料生产过程中，为保证切断后零件的变形量在装配允许的范围内，编制临时工艺规程对研究方案进行加工验证，并对零件的加工余量进行了额外的调整。在零件外圆止口位置与内槽止口位置增加预留0.4mm余量，在切断后的最终状态下进行精车加工，并对半精车工序的数控程序进行优化，采用循环分层走刀加工，减少车加工过程中产生的切削应力。

通过前期对类似零件加工数据的收集，该类型零件在切断后变形严重，零件扭曲变形程度较大，导致零件的平面度及圆度均超出使用要求。结合此经验，在生产加工时进一步更改加工路线，在零件半精车后进行切断，零件在1/4半环状态下加工，提前消除整环零件的内部应力变形。

切断工序采用组合夹具进行加工，防止零件切断后内部应力失去平衡，在零件止口位置设定配合面进行定位锁紧，防止零件切断后内部应力失去平衡，避免在切断后整环瞬间出现涨开、收缩、扭曲等现象，控制零件切断后的变形量。

在切断后对零件进行精车修整加工，精修配合止口尺寸，并制造专用铝盘对零件进行定位装夹，采用精止口定位，减少由于零件刚性不足造成的变形。在对零件切断后的止口尺寸进行精加工后，对零件最终状态的配合止口尺寸进行多点测量，四个半环直径均在合格范围内，即零件最终加工状态与装配要求一致，后续协助装配部门完成了其组件的装配工作，并保证了组件的尺寸及技术条件满足发动机的使用要求。

5 方案验证结果

对投料零件进行现场加工验证的跟产，确保实际加工状态符合技术方案的制定内容。在生产验证过程中，优化半精车加工、精车加工的数控程序；设计并制造了车加工工序的专用夹具，采用止口定位的装夹方式；切断工序采用每1/4半环三处压紧的方式，整环共计十二处压板，有效控制了由于切断引起的零件变形；在切断后增加精车修整工序，消除切断引起的零件最终状态尺寸的变形，零件在1/4半环状态下精修止口等配合尺寸，保证了零件在最终装配状态各配合尺寸的使用要求；并成功将该零件的生产周期控制在50天以内。

该技术研究表明，零件精密配合尺寸全部合格，满足装配使用要求，最终加工结果如下：1）止口尺寸。止口直径配合尺寸均合格； 2）切断变形。保证装夹稳定性，减少切断后零件变形量； 3）加工经验。薄壁变形零件加工必须采用止口定位的方式进行装夹； 4）成果分享。为该类型环段类零件的后续研制加工提供成熟的加工经验。

6 结论

该文对某环段类零件精密加工尺寸变形量控制进行了研究，使该环段类零件合格交付并装配使用，为后续该类型零件的研制生产奠定了基础，并总结该类型环段类零件的加工经验如下：1）部、组件中，应了解各单件配合尺寸在装配组件中的作用及各配合尺寸之间的相互关系，进而确定有效的工艺加工方案，保证加工、测量、装配的一致性，降低零件的加工、装配难度；2）薄壁易变形的零件在加工时必须采用止口进行定位；3）零件切断后必然存在变形，为消除零件的切断变形，应在切断后采用精修工序进行补充加工，保证最终状态的零件尺寸符合其装配使用要求；4）零件的切断工序务必保证其压紧方式安全可靠，避免切断瞬间的应力释放造成的零件整体翘曲变形。