高温合金精铸件机加工艺技术研究

2022-02-21林建军梁小龙涂乐锋

现代制造技术与装备 2022年1期

兰霞林建军操金梁小龙涂乐锋

（北京航空材料研究院，北京 100095）

高温合金是航空航天、核电工业等领域的重要金属材料之一，属于难加工材料，其硬度高、塑性大、导热性差，加工时易产生很多问题，如切削力大、刀具极易磨损、加工硬化现象严重、切削精度较低等。刀具磨损、破损、切削颤振等问题易引起表面质量缺陷，使得切削后尺寸的一致性和稳定性差，从而严重影响产品加工质量和效率[1-2]。

高温合金类薄壁零件极易受装夹力、切削力、残余应力及切削热等因素影响而发生变形，变形后的零件难以达到设计要求，导致最终需要反复加工和返修，从而使加工效率较低且难以保证加工精度[3-4]。

1 零件结构及难点分析

本文所研究的工件为北京航空材料研究院（以下简称本单位）目前正在生产的涡轮导向器，是地面燃机发动机内的重要零部件，其结构示意图如图1所示。

该零件毛坯为IN713LC材质的高温合金精铸件，零件总高155 mm，6个铸件定位基准点明确。图1中叶片区域右端壁厚1.74～3.20 mm，高约45 mm，叶片区域左端高约100 mm，最大处外径为Φ206 mm（精度要求0.03 mm），中间段壁厚仅3.20 mm。该零件属于典型的薄壁件，主要难点在于实现铸件基准向机加基准精准转换的同时，需克服薄壁件加工易变形的问题，以保证尺寸加工精度。

2 工装设计

毛坯铸件基准由具有相对位置的1个角向基准点、3个径向基准点及3个端面基准点组成。为保证铸件基准准确转换为机加基准，工装设计时需采用铸件基准点为定位基准，做到铸件、机加及检验所用基准一致。另外，工装设计时还需考虑装夹刚性、重复定位等问题。本单位设计用于加工上述薄壁件工装时，采用自定心三爪找正3个铸件的外圆基准点，并由3个主定位块进行端面定位，各定位面面积通常设计为2～30 mm2。为提高工件装夹刚性，增设了3个可调整高度的辅助支撑块，且辅助支撑块与定位块通过锥形凹槽进行径向定位，以确保工装的重复定位性。同时，为便于安装和加工，其压紧用的压板设置在定位块和辅助支撑块两侧，且与定位块、辅助支撑块围绕成一整圈，轴向压紧工件。

3 加工设备及刀具选择

3.1 加工设备选择

对于回转体零件，其表面以数控车削加工为主。随着数控加工技术的发展，车铣复合加工方式也常用于回转体结构零件加工。结合工件及其基准转换工装的特点，本单位选用数控立式车削中心完成工件的全尺寸加工，设备型号为KV500ATC+C。加工过程中，通过一次装夹完成大部分内外表面及19个分度孔的加工，工序集中程度高，可有效避免二次装夹带来的找正误差，同时缩短生产周期。

3.2 刀具选择

高温合金属于难加工材料，其切削抗力大、切削温度高，且对刀具强度及耐磨性的要求极高。本次研究中使用了Safety及山高两个厂家的高温合金专用切削刀片切削本文所述的涡轮导向器。相比而言，Safety的刀片在保证尺寸方面较为突出，可切削时长大于30 min，加工后的尺寸实测值与要求加工尺寸差异小于等于0.03 mm，即尺寸精度保证性好，且加工表面的粗糙度可达Ra0.4 mm。另外，该刀片的刀尖磨损量很小，主要因为选用的Safety刀片涂层耐磨性能优异，切削过程中始终能保持锋利状态。然而，使用Safety刀具切削涡轮导向器内部薄壁区域时，因其切削抗力大，在壁薄处会形成非常明显的颤纹，如图2所示。使用山高的高温合金专用刀片切削同一部位时，虽然加工后的表面粗糙度相比使用Safety刀片加工的表面（无颤纹区）略差，且刀具磨损量也略大，但加工表面未出现颤纹，主要原因为刀片耐磨性低，消除了“硬碰硬”带来的影响。

4 工艺路线

根据本单位承担涡轮导向器的生产路线及前期进行的机加工工艺摸索经验，得出机加工工艺路线如图3所示。

在如图3所示的加工工艺路线中，半精车法兰端、精车法兰端及打孔工序为一次装夹完成，其中，打孔工序包括钻孔、扩孔、铰孔及正反面倒角等内容。各机加表面在粗车、半精车、精车工序中均进行了切削，且内外表面交替进行加工，其加工顺序是先加工端面基准，再加工尺寸公差大的部位，最后加工尺寸公差最为严格且最易受变形影响的精加工部位。粗车后加工余量一般为0.5～1.0 mm，半精车后加工余量一般为0.1～0.2 mm。

5 加工变形及其控制方式

薄壁零件机加后的变形量主要受毛坯、加工工艺及装夹方式等因素影响。为分析不同毛坯状态对工件变形的影响，本文采用上述设备、工装分别对未涂层的毛坯件和涂层后的毛坯件进行试加工，并使用Safety刀片进行粗、精加工，其中精加工时背吃刀量为0.1～0.3 mm，切削速度为25 m·s-1，进给量为 0.1 mm·r-1，工件轴向压紧且压板的压力为20 N。

因为Φ206 mm处外圆的直径最易受工件整体变形影响，且精度要求高，所以其尺寸最难保证。为方便记录测量，本文以千分尺监测精车后法兰外径处Φ206 mm的最大值和最小值，以其最大最小值的差值了解工件的变形量。经测量，未涂层毛坯件和涂层后的毛坯件在加工后立即测量时的Φ206 mm尺寸最大最小值差小于等于0.005 mm，但从工装上取下后Φ206 mm处的尺寸最大最小值差发生了变化，且随着时间延长，Φ206 mm处的最大最小值差异会随之增加，直至5天后工件基本不再变形。最终最大最小差值如表1所示。由表1可知，涂层后的毛坯件加工后的工件变形量明显减小，这是由于涂层处理过程中对毛坯进行了去应力退火处理，从而去除了铸造内应力，有效减少了工件变形。

表1 不同毛坯状态对精加工后工件尺寸的影响情况

为解决变形问题，在毛坯件已涂层的基础上，工件粗加工后进行去应力退火以释放机加粗加工过程中产生的应力。消除应力后，使用上述同等切削参数进行精加工，发现工件仍旧会产生变形，变形后的Φ206 mm尺寸最大最小值差为0.06～0.08 mm，无法满足尺寸为0～0.03 mm的公差要求。

通过进一步分析压板压紧力及压紧方式对工件变形的影响，对涂层后的毛坯件进行粗加工、去应力退火、半精加工及精加工，其中粗加工后单边留余量0.5 mm。更改半精加工、精加工时压板的压紧力后，Φ206 mm处外圆依旧受工件变形影响而无法满足尺寸精度要求。随后，更改精加工时工件的压紧方式，即更换定位块及辅助支撑块两侧压板压紧为仅主定位块上方压板压紧，并松开抱紧止口端外圆的三爪，以释放轴向压紧力及径向装夹力，从而减少工件变形，但加工后Φ206 mm尺寸仍无法满足尺寸精度要求。最终，松开全部压板，重新抱紧止口端三爪，且法兰下端使用辅助支撑轻扶加以固定，所加工后的Φ206 mm 尺寸可满足精度要求。具体变形情况如表2所示。

由表2可知，随着定位块及辅助支撑块两侧压板的轴向压紧力增加，工件的变形量先随着增加而后基本不变，且不同数值的轴向压紧力均会造成工件变形，导致难以保证Φ206 mm处的直径公差为0.03 mm的高尺寸精度要求。但是，当仅用三爪夹紧止口端外圆进行精加工时，工件Φ206 mm处的外圆基本不变形，可满足0～0.03 mm的公差范围要求。