高温合金支臂异形零件加工工艺和切削参数优化

陈锡辉，郭小玲，刘 波，刘 鑫

（1.成都航空职业技术学院航空装备制造产业学院，四川 成都 610100；2.成都航利航空科技有限责任公司，四川 成都 611937）

0 引言

高温合金支臂是航空发动机上常用零件，需求量大。此类零件具有外形复杂、壁薄、材料难加工和尺寸精度及位置精度要求高等典型特征，传统加工时材料去除率达到90%以上，零件变形量难以控制。因此，有效控制该类零件加工变形量，提高加工效率和合格率，降低支臂类零件加工成本对保证航空发动机质量，促进我国航空发动机发展具有重要意义。

本研究在分析高温合金支臂类异形零件加工方案上，针对实际加工过程中影响加工变形量、尺寸精度、加工成本和加工效率的问题提出新的解决方案：合理排版以增加材料利用率，采用低成本和低切削力的线切割方式进行零件粗加工；并根据零件结构特点和质量要求，优化工装夹具及成型刀具，采用四轴加工中心实现一次装夹完成零件多要素精加工；采用Vericut 对加工刀具进行金属切削参数实验，获取刀具在实际切削过程中各处的切削力，对各处切削参数进行优化，得到最优切削参数。通过对加工工艺的优化，使得零件表面质量和尺寸精度得到有效控制，而且加工效率及合格率得到明显提高[1]。

1 产品要求

零件材料为高温合金4169，支臂零件呈反“Z”字形，并单向偏斜30°，零件尺寸为长185 mm，宽46 mm，高48 mm，厚度5 mm。该零件空间结构呈反“Z”字形，尺寸A为43±0.04 mm，如图1 所示。

图1 支臂零件结构

支臂类异形零件小批量试制加工方案为：①线切割下料（190 mm × 50 mm × 50 mm）→②粗铣六方体（作工艺夹持孔）→③四轴加工中心粗加工外形及型腔（需专用夹具，各处余量0.8 mm）→④去应力失效→⑤修装夹定位基准→⑥精加工型腔及表面→⑦线切割去除工艺凸台→⑧外形精加工及非对称“V”型环形槽（需五轴加工中心及专用夹具）→⑨成品检查。零件粗加工仿真结果见图2。

图2 零件粗加工仿真结果

2 工艺分析

通过对原加工方案进行分析，得出如下问题：①支臂零件毛坯为板料，下料长度185 mm，宽80 mm，厚度50 mm，粗加工材料去除量高达90%以上。②零件材料为高温合金4169，国际牌号Inconel718。高温合金4169 可以说是高温合金系列中最难切削的材料。主要表现为加工硬化现象严重、刀具磨损快、生产效率低[3]。零件型腔结构决定了加工能采用的刀具直径较小。即便制造专用夹具配合四轴加工中心从不同方向切削，部分刀具伸出长度仍然长达30 mm 以上，刀具切削能力和刀具寿命大大降低。③高温合金4169 材料难加工，单件粗加工切削时间长达124 min。④零件呈反“Z”字形，并单向偏斜30°，壁厚仅5 mm，铣削切除多余材料，零件结构发生较大变化，零件尺寸A（图1）变形量难以得到有效控制，10%产品尺寸A 在粗加工后变形量高达1 mm 以上。⑤精加工时产品铣削表面多处有颤振现象，粗糙度不能稳定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之间，需要人工抛修。⑥加工非对称“V”型环形槽，需采用五轴加工中心、专用夹具及专用刀具，加工效率低。刀具锋利时，加工出的产品表面粗糙度基本满足要求，刀具轻微磨损时，表面粗糙度无法满足要求，存在较大报废风险。

3 零件加工工艺

通据前期生产100 件情况来看，按该加工方案加工产品，产品最终合格率仅72%。该零件加工方案急需进行工艺优化改进[2]。可优化改进点分析如下：①粗加工材料去除率高达90%以上；②高温合金4169 铣削刀具磨损快，加工效率低；③粗加工铣削时间长；④粗加工时零件尺寸A（图1）变形量难以控制；⑤精加工时产品铣削表面多处存在颤振现象；⑥精加工时非对称“V”型环形槽，加工效率低，刀具消耗大且产品表面粗糙度难以满足要求。因此，该零件加工工艺优化主要从工艺流程优化、毛坯规格优化、粗加工切削方式优化、成型刀具结构优化、切削参数优化五个方面进行。

3.1 加工工艺流程优化

高温合金4169 支臂异形零件在粗铣加工时存在诸多弊端，因此，在工艺流程优化过程中，缩小单件毛坯规格，并将粗加工铣削加工方式更改为线切割方式，减少粗加工时刀具消耗和高价值设备占用时间；在非对称“V”型环形槽精加工时，将五轴加工设备更改为三轴加工中心，更改专用刀具为成型刀具，采用常规钻削方式完成，产品质量更稳定，加工成本更低。

优化后的加工工艺流程：①钳工加工穿丝孔→②线切割下料（各处余量0.6 mm）→③去应力失效→④修定位基准⑤四轴加工中心侧刃铣削精加工厚度5 mm 尺寸→⑥线切割去除工艺凸台→⑦三轴精加工外形及非对称“V”型环形槽→⑧成品检查。

3.2 毛坯规格及粗加工切削方式优化

选取厚度为100 mm 的板料，排版并加工穿丝孔。线切割下料按两工步执行，可加工产品10 件，材料去除率由90%下降为50%。工步一下料如图3（a）所示，工步二下料如图3（b）所示。

图3 线切割下料及粗加工

采用该方案下料，下料后无需进行铣削粗加工工序，节约了粗加工工序四轴加工中心铣削时间124 分钟/件；支臂异形零件为高温合金4169，该材料极难切削，刀具消耗大，采用该方案下料可节约全部粗加工刀具成本及高附加值加工中心设备占用时间。同时，线切割加工切削力小，去应力失效后，零件尺寸A 变形量均在0.6 mm 内，利于精加工时零件质量控制。

3.3 成型刀具优化

非对称“V”型环形两侧面角度公差为40°±0.5°和70°±0.5°，槽深2 mm，表面粗糙度要求为Ra0.8。非对称“V”型环形槽如图4。

图4 非对称“V”型环形槽

通过对成型刀具结构优化，可直接采用三轴加工中心的简单孔加工指令完成非对称“V”型环形槽一次成型加工。通过提高切削线速度，添加槽底刀具驻留时间1 s，产品表面粗糙度得到明显改善。通过缩短切削路径，加工效率得到极大改善，单间加工时间由4 min 缩短至8 s；优化后，刀具寿命由加工3 件提高至28 件。优化后成型刀具示意图如图5 所示。

图5 优化后成型刀具结构

3.4 切削参数优化

利用前期无明显缺陷的报废产品，在瑞士VCP710 型四轴数控加工中心机床上进行切削实验。同时，采用VERICUT 仿真软件中DoptiPath 和Force功能模块对支臂零件型面和轮廓精加工程序进行监测，使编程人员能准确知道刀具每次切削的深度、宽度和切削角度及各处切削力。在程序优化阶段，把刀具切削运动分为若干小段[4]，滤除切削力极限值，实现各工序的主轴转速、进给速度及被吃刀量的最佳值，保证刀具具有稳定的切削力[5]。优化前后各处主轴力对比如图6 所示，优化前后精加工程序对比如图7 所示。

图6 优化前后各处主轴力对比

图7 优化前后精加工程序对比

程序优化后零件切削过程平稳，程序运行时间缩短18.2%，刀具寿命也有一定提高，零件表面粗糙度稳定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之间，满足零件设计要求。

4 改善效果对比

采用改进后的工艺连续生产100 件零件，与原加工工艺进行数据对比，可以看出：

（1）零件合格率明显提升，由原工艺的72%提高到100%。

（2）材料利用率大大增强，由原来的不到10%提高到50%。

（3）生产效率提升显著，由2h/件提高到1.2h/件。原零件粗加工设备由四轴加工中心更换为普通线切割和台式钻床，单间加工时间由2h/件，提高到12 小时加工10 件，折合1.2h/件。

（4）生产成本降低明显，单件生产成本降低了62%。原加工工艺粗加工阶段高价值加工中心占用时间较长，铣削刀具消耗极大。优化后粗加工阶段仅采用低成本的线切割和台钻即可完成零件粗加工。加上，成型刀具结构优化后刀具寿命由加工3 件提高至28 件。按本单位设备、人员、刀具、耗材价格测算，单件生产成本降低了62%。

（5）零件变形量明显改善。优化后粗加工去应力失效后，尺寸A（图1）最大变形量均在0.6 mm 内。精加工时无需再根据每件零件变形量，单独编制精加工程序，利于精加工时零件质量控制。

（6）非对称“V”型环形槽表面粗糙度满足零件要求Ra0.8，切削稳定。成型刀具结构优化后，可直接采用三轴加工中心的简单孔加工指令完成加工，添加槽底刀具驻留时间1 s，产品表面粗糙度得到明显改善。

（7）精加工切削参数优化效果明显。程序优化后零件切削过程平稳，程序运行时间缩短18.2%，刀具寿命也有一定提高，工件精加工颤振问题完全消除，零件表面粗糙度稳定控制在Ra0.8 ～1.6 μm 之间，满足设计要求。

新工艺改善效果明显，可用于该类产品批量生产。

5 结语

提高高温合金支臂异性零件加工效率、减小零件加工过程中的变形、降低制造成本是高温合金零件加工过程中的重要研究课题。 针对高温合金支臂异性零件加工方案所存在的问题，提出加工工艺优化方法，设计适合生产的成型刀具、优化切削参数，提升了零件的合格率，满足了零件的设计要求。由线切割代替铣削加工，提高了零件材料利用率和生产效率，降低了零件生产成本；设计成型刀具，提高了非对称“V”型环形槽切削稳定性；优化精加工切削参数，提高了零件表面质量。此次工艺改进为同类型零件生产提供了经验，具有很高的推广价值[2]。