前二级导流盘铣削加工工艺及变形控制

2022-06-20黄强

金属加工(冷加工) 2022年5期

黄强

中国航发西安航空发动机有限公司陕西西安 710021

1 序言

近年来，国产发动机的研发进度加快，发动机材料工艺改进明显，但零部件的制造及装配精度仍较难达到设计要求。前二级导流盘尺寸精度高，其定位面与支撑面刚性较差，在装夹过程中轴向受力不均匀，易产生压紧变形。零件加工过程中，由于受切削力及自身刚性影响，容易出现让刀变形现象，致使扇形槽加工后精度无法达到要求。四川理工学院的赵虎对薄壳类零件槽孔加工进行了改进[1]，从工艺设计、零件安装和机床选用等方面对槽孔加工工艺进行论证，提高了生产效率，降低了加工成本，但对零件结构与夹具的配合定位，以及控制零件加工变形方面叙述较少；傅广义、杨民等对浅扇形槽进行了近似铣削加工[2]，对近似加工原理进行阐述，并结合案例进行试切验证，对工件夹具及其支撑方式的分析较少；烟台工程职业技术学院的李轲优化了铣直槽精度的编程方法[3]，直槽的加工质量和效率有了很大提高，但未对工件定位及辅助支撑等进行说明。

本研究利用前二级导流盘零件的结构特点，分析零件材料特性及定位结构，设计适用于零件扇形槽加工的辅助支撑夹具，提高零件支撑、装夹刚性，控制扇形槽与径向孔的角向位置，防止因角向定位误差而导致加工后零件位置度超差。通过对刀具方案进行改进，优化扇形槽加工策略，提出扇形槽铣加工工艺方法，并进行了试验验证。

2 零件材料及结构特征

2.1 材料分析

图1所示前二级导流盘零件材料为GH4720Li变形高温合金，是由Udimet720尤迪梅特镍基耐热合金转化而来，并经过改良设计的一种高性能、高强度和耐腐蚀的镍基高温合金。这种材料中钴、碳和硼含量较低，以Mo、W、Cr和Co经固溶强化形成，其合金化程度非常高。高温合金GH4720Li中钛和铝的含量非常高，合金中的主要强化相γ′含量超过40%，高温力学性能优越，是一种高硬度、高强度镍基变形高温合金。其服役温度较高，广泛应用于前二级导流盘及航空涡轮盘零件，以及在短期内用于高温环境下的涡轮盘零件中。

图1 前二级导流盘零件

GH4720Li在高温环境下性能稳定，经过试切试验，认为该材料在切削时有如下特点[4]。

1）弹性变形大。工件在试切时，加工刀具与切屑之间的滑动摩擦大，加工后材料回弹变形，零件加工后尺寸精度不易保证。刀具磨损较快，加工后工件表面粗糙度较差。

2）材料黏性大。切削时切屑易缠刀，刀具及工件表面不能及时散热，切屑对零件已加工表面易造成划伤。

3）塑性变形大。在切削区域切削热集中，材料在高温下产生较大变形。

2.2 零件结构分析

图2为前二级导流盘结构剖视图。前二级导流盘为封严类环形件，加工扇形槽前，工件毛坯为车削加工后状态。扇形槽结构及加工余量如图3所示，端面槽区域为车削加工形成的环形槽，端面槽区域靠近中心线部分为加工余量。车削加工后工件表面粗糙度值Ra=1.6μm。

图2 前二级导流盘结构剖视

图3 扇形槽结构及加工余量

扇形槽沿圆周方向非连续，由于端面槽区域空间较小，所以扇形槽选择铣削加工方法。

零件精密圆尺寸φ116-0.09-0.17mm，对基准A、基准B跳动要求0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8μm。内孔尺寸φ75.62mm，壁厚1.0mm。端面槽沿径向宽度5mm，端面槽中沿周向均布6处扇形槽，扇形槽中间间隔6处凸台，凸台尺寸2-0-0.15mm，凸台对基准A、基准B的位置度0.03mm，扇形槽根部与端面槽转接处R1mm最大，扇形槽转接R（1±0.3）mm。

前二级导流盘凹槽结构如图4所示。零件上端由圆弧面与上凹槽1组成，上凹槽1的底面与零件上端水平面成固定角度。上凹槽1中沿周向均布6处扇形槽，扇形槽的底面与上凹槽1的底面在图4J处接刀。零件下端有两处异形槽，分别为下凹槽2及下凹槽3，其分别沿着与水平方向成不同角度的轴线向内、外延伸，形成不同槽型。零件下端3处定位面均较小，上端压紧面与下端支撑面在受力状态下较难平衡，使用夹具定位装夹时，零件在压紧力及支撑力的作用下产生扭曲变形。在加工扇形槽时，受刀具切削力共同作用，加工后扇形槽变形较大，零件的加工精度较差。

图4 凹槽结构

导流盘扇形槽所在端面槽宽度5mm，铣加工槽底斜面与车削加工槽底转接处宽度3.2mm，考虑进退刀安全距离，铣加工刀具直径应≤3mm，刀具有效切削长度≥4.1mm。小直径铣刀加工该零件时，刀具磨损较大，零件加工后φ116-0.09-0.17mm尺寸合格率低，工件表面质量较差，扇形槽尺寸及对基准A、基准B的跳动较难保证。

2.3 零件特征

前二级导流盘零件特征总结如下。

（1）精度高扇形槽尺寸公差严，扇形槽对基准的位置精度要求较高。

（2）刚性差支撑面及压紧面刚性差，夹持系统刚性差。

（3）可加工性差刀具直径小，扇形槽及槽底加工后让刀，斜槽与环形槽接刀处尺寸合格率低。

3 零件加工工艺

3.1 加工工艺分析

前二级导流盘零件扇形槽加工时，定位装夹方案是影响扇形槽加工精度的重要因素。通过分析零件结构及尺寸，选择合理的定位面，优化零件的压紧方式，在夹具上设置有效的辅助支撑，对控制零件铣加工变形有重要意义。在设计辅助支撑夹具时常见的问题是：定位基准与支撑面的选择缺乏规范性、可靠性不高；夹具间通用性较差，不同夹具之间可替换性差；夹具设计管理不到位；夹具设计依赖现有零件结构设计，缺乏创新，夹具设计优化不足等[5]。

前二级导流盘在定位时，选择不同的定位、装夹基准，产生不同的夹具定位结构。夹具设计时压板的结构、压紧力大小、压紧点布局及压板数量不同，零件装夹时的变形也不相同[6]。使用压板压紧时，压板在零件表面产生不规则的残余应力，使零件产生不可控的变形。

对于结构相似的家族类零件，通常采用相似的工艺方法进行加工。加工不同区域时，采用不同的夹具设计，所需的夹紧力大小也不相同。在不同的夹具设计和夹紧力相互作用下，由于零件各部位的定位刚性存在差异，所以加工后零件的变形量也不同，导致产生不同的加工误差。因此，合理选择夹具的布局、调整压板的夹紧力，对控制零件加工变形、提高零件加工精度及稳定产品质量有重要意义[7]。

3.2 定位支撑方案

前二级导流盘是某航空发动机高压涡轮核心零件之一，其特点是材料难加工、型面复杂、扇形槽尺寸精度高及结构空间小，定位装夹易变形。在加工扇形槽时，采用传统定位方案，由于零件属于薄壁件，所以其定位面及压紧面刚性较差[8]。

零件的下端有两处异形端面槽，定位时下端大部分区域处于悬空状态，下端三处定位面均较小，上端压紧面与下端支撑面在受力状态下较难平衡[9]。下端凹槽在夹具定位装夹后，在压紧力及支撑力共同作用下，零件会产生扭曲变形；使用小直径铣刀在上端槽内切削时，刀具沿径向及刀具垂直方向的切削力使零件产生加工变形，加工后扇形槽变形较大，零件加工精度较差。导流盘零件材料为GH4720Li变形高温合金，出现装夹变形或加工变形后，后续加工很难对变形进行消除[10]。为控制前二级导流盘零件圆弧精密槽加工变形，提高零件定位装夹可靠性，设计了用于前二级导流盘扇形槽加工的辅助支撑夹具[11]。该夹具通过选择合理的定位面及支撑面，提高零件定位精度，达到改善零件定位状态、提高扇形槽铣加工合格率的目的[12]。

通过对前二级导流盘零件结构及尺寸进行分析，设计了一种用于前二级导流盘零件扇形槽加工定位支撑夹具（见图5）。通过在零件外围均匀设置4处勾压板，在零件下端靠近外圆处的端面设置浮动环，浮动环下方沿圆周均匀设置4处辅助支撑杆。辅助支撑杆的一端设置滚花螺钉并与夹具底座联接，另一端设置在浮动环的下方，对浮动环起支撑作用。通过拧紧或松开滚花螺钉，滚花螺钉撬动辅助支撑杆，使浮动环浮起或沉下，对零件下端靠近外圆处的端面起到辅助支撑作用[13]。

图5 前二级导流盘零件扇形槽加工定位支撑夹具

定位支撑夹具（见图5中E―E剖视图）底座右端设置拉直边，用于确定夹具在机床上安装时的角向位置。夹具底座上设置定位环，定位环的上端定位面及定位止口分别与零件的端面及外圆配合定位[14]。夹具底座外围均布4处勾压板，对零件进行压紧。零件的下端面设置浮动环，浮动环对零件下端形成辅助支撑，防止零件在压紧时产生变形[15]。夹具底座上还设置了定位块1和定位块2，定位块1的作用是与插销前端的定位销部分配合，精确定位插销的角向位置，确保插销与零件的角向孔准确配合；定位块2引导插销进入，对插销尾端起支撑和稳定作用。定位块1和定位块2通过螺钉固定在夹具底座上[16]，并保持固定水平定位关系。将插销穿设在定位块1和定位块2中，插销左端定位圆柱销穿设于前二级导流盘零件的小孔中，使导流盘零件的角向位置固定。

夹具底座与圆柱形定位环为独立设计，定位环通过螺钉固定在夹具底座上。零件安装前先卸掉插销，调整滚花螺钉的高度使浮动环下沉，将前二级导流盘零件放置在夹具的定位环中，使零件端面与定位环的上端定位面贴合，零件外圆与定位环的内孔配合。转动零件调整小孔的角向位置，目视观察使零件的小孔与定位块1上的小孔对齐，插入插销，并将其前端圆柱定位销插入导流盘零件的小孔，使零件的角向位置固定。

3.3 变形控制

前二级导流盘零件下端有2处端面槽，端面槽两侧为轴向凸台，由于凸台较小，使用凸台底面作为主定位无法形成可靠支撑，所以为了增强零件刚性，考虑在零件下端增加辅助支撑[17]。由于零件结构较小，下端3处台阶的直径为85～135mm，如果在零件下端设计螺钉辅助支撑，零件安装后，螺钉支撑被零件挡住，零件下端的辅助支撑螺钉很难调节。为方便对辅助支撑进行调整，在零件下端设计了浮动环，浮动环下方沿圆周方向均布设置4处辅助支撑杆，支撑杆底部为圆弧形设计，外侧分别装有滚花螺钉，滚花螺钉穿设于辅助支撑杆中，并与夹具底座联接（见图5中F―F剖视图）。

首先，分别调整4处滚花螺钉，旋出滚花螺钉使其放松，螺钉带动辅助支撑杆使其沿回转中心逆时针转动，支撑杆靠近零件的一端下沉，使浮动环整体向下移动，以保证前二级导流盘零件安装后，零件的下端面与浮动环的上表面的间隙≥0.1mm。然后使用勾压板压紧零件上端，零件基准面A在之前工序由立式磨床加工，基准面A的平面度为0.002mm左右，勾压板压紧零件时，应在零件上端基准A处设置杠杆表检查，勾压板在压紧零件前及压紧零件后，杠杆表的指针变化量应＜0.005mm，保证零件基准面在压紧时的变形量控制在0.005mm以内。依次压紧零件上端4个勾压板后，再对基准面A的轴向圆跳动进行检查，如果个别区域变形量较大，可使用垫塞尺的方法将零件垫平，确保机床打表检查零件基准A的轴向圆跳动＜0.01mm。

压紧勾压板时，应依次拧紧4处滚花螺钉，滚花螺钉对应的零件上端面设置杠杆表检查跳动变化。滚花螺钉带动辅助支撑杆顺时针转动，支撑杆靠零件的一端上移，使浮动环慢慢上移与零件贴合，对零件起到辅助支撑的作用。拧紧滚花螺钉时，应保证杠杆表的指针变化量在0.002～0.005mm，以此保证辅助支撑起到支撑作用，避免因支撑力过大而引起零件装夹变形。

使用辅助支撑装夹零件，零件基准A在装夹前、后的变形量可控制在0.01 mm内，辅助支撑可提高零件结构刚性，有效减小零件在铣削时因受切削力影响而产生的弹性变形。

4 扇形槽加工方法

4.1 刀具方案

封严导流盘需加工的扇形槽宽度4.1mm，扇形槽长度约60mm，深度5mm，根部及转接R≤1mm。为提高加工效率，保持刀具刚性，应尽可能选择直径较大的刀具。考虑到扇形槽的宽度及进退刀距离，粗铣选择直径3mm铣刀去除大余量；半精加工及清角时，应尽量为精加工均匀余量，考虑根部及转接尺寸R≤1m m，半精铣及清角加工选择直径1.5m m球头铣刀，将精加工余量控制在合理范围内；精加工轮廓时，由于尺寸及几何公差要求较高，小直径球头铣刀加工时让刀，无法满足精加工要求，所以精加工选用直径3mm铣刀，以保证精密圆尺寸φ116-0.09-0.17mm及对基准A、基准B跳动0.01mm的要求。

4.2 切削方案

扇形槽粗铣时，为了提高加工效率，使用螺旋快速铣削的方法，去除扇形槽内腔的大余量。由于零件下方设置了辅助支撑，所以零件在铣加工时刚性相对较好，粗铣采用小切削深度、大进给的加工方案，配合机床的高压冷却系统，可在较短时间内完成粗铣操作，且刀具磨损较小。扇形槽铣削模型及刀具轨迹如图6所示。粗加工每层切削深度不宜过大，切削深度过大容易使刀具产生过大负载而产生崩刃或断刀；粗加工可采用较高的切削速度及进给速度，尽可能提高加工效率；对于精铣加工，除了需要保证零件凸台尺寸2-0-0.15mm，还要考虑到根部转接R要求。精铣使用直径1.5mm球头铣刀，切削刃长度为1mm，刀具有效悬伸5mm，采用等高轮廓切削加工方法，既可保证零件尺寸，也可满足铣削加工后扇形槽底部表面粗糙度要求。精铣刀在进行清角加工时，圆弧转角采用30%～50%减速处理，避免因切削抗力过大而导致铣刀断裂。

图6 扇形槽铣削模型及刀具轨迹

直接使用直径1.5mm铣刀对精密圆进行精铣，由于刀具直径小，刀具刚性不足，所以无法达到精密圆尺寸φ116-0.09-0.17mm及对基准A、基准B跳动0.01mm的要求。选用直径3mm铣刀对精密圆直径部分进行精铣，铣刀刚性相对较好，可有效避免让刀现象。精铣精密圆时，深度方向必须一次铣削到位。分层铣削存在刀具磨损误差，无法保证精密圆的跳动要求。精铣余量也是精密圆铣削的关键因素之一，结合零件材料GH4720Li的切削特性，精铣余量为0.02～0.03mm时切削效果最好。精铣余量过大会导致精加工刀具磨损加快，从而使加工精度降低；精铣余量过小则铣刀无法正常切削，切削刃易产生挤压及磨削，加工后工件表面质量较差。此外，精铣加工必须选用刃口锋利的新铣刀，修磨刀具因刚性较差、刃口不利而无法达到精密圆的铣削要求。