孫義林 胡增榮 趙利潤 徐 華

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某航空發(fā)動機吊架零件球孔加工工藝優(yōu)化

孫義林1胡增榮1趙利潤2徐 華2

（1.蘇州大學(xué) 江蘇蘇州 215131； 2.新宇航空蘇州有限公司 江蘇蘇州215021）

介紹了某航空發(fā)動機吊架零件球孔加工工藝的優(yōu)化過程。由于該吊架零件的材質(zhì)是鎳基高溫合金，并且球孔尺寸要求和位置度要求高，導(dǎo)致加工困難、加工時間長。為縮短加工工時，分別從切削用量、刀具、機床和加工方法幾個方面進行討論和實驗研究。結(jié)果顯示，僅優(yōu)化切削用量只能小幅度提高加工速度，使用成型刀具能提高加工速度，但不能保證加工質(zhì)量；而采用車削的方法能夠很好的解決問題，理論上可以將該零件的3個球孔加工工時由原來的13 h縮減到1.5 h之內(nèi)。同時指出車加工工藝的關(guān)鍵是車夾具并給出了夾具的設(shè)計結(jié)果，用所設(shè)計夾具進行實際加工，證明工藝改進達(dá)到預(yù)期效果。

航空 高溫合金 球孔 加工

該航空發(fā)動機吊架是用來將發(fā)動機連接到機翼下部的連接件。該零件需要在高溫條件下工作并且要求有較高的高溫強度，能夠抗氧化、抗腐蝕，所以此零件采用了inconel718鎳基高溫合金來制造。所謂高溫合金一般是指在600～1 200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化、抗腐蝕能力的合金。高溫合金雖然有優(yōu)良的高溫性能，但也正是由于其熱穩(wěn)定性好、高溫強度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點，因此其切削加工性能就表現(xiàn)的特別差，是典型的難加工材料。研究表明，如將45鋼(正火)的切削加工性比作1，則高溫合金的切削加工性系數(shù)大約為 0.05～0.3左右，也就是其加工難度是普通碳鋼的幾倍到十幾倍[1，2]。該吊架零件如圖1所示。其毛坯為整體鍛造件，零件加工難點在于3個球孔的加工，3個球孔相互之間有0.05 mm的位置度要求，球孔本身的尺寸精度要求為±0.009 5 mm，3個球孔中2個小的孔直徑是57±0.009 5 mm，大的孔直徑是67±0.009 5 mm，工件厚度是28 mm。

1 問題提出

該零件球孔加工原先是在立式加工中心上采用鉆孔、擴孔的辦法先加工出圓柱形底孔，然后使用圓形硬質(zhì)合金銑刀逐層銑削的辦法加工出球孔的，銑刀走刀路徑在下降方向上是不連續(xù)的，如圖2和圖3所示。由于該零件材質(zhì)為Inconel718高溫合金，所以切削速度很慢，單這3個球孔粗、精加工就需要13 h左右，經(jīng)過分析加工過程，其耗時最多的是精加工。當(dāng)球孔的圓柱底孔分別加工到50 mm和60 mm時，單邊最大余量還有3.5 mm，這時使用如圖2所示的直徑為40 mm的銑刀，經(jīng)過兩次耗時共30 min的粗銑后單邊留0.2 mm進行精加工。精加工時主軸轉(zhuǎn)速1 800 r/min，進給速度400 mm/min，刀具沿軸向以0.2 mm間距下降，需要分3次走刀加工到設(shè)計尺寸，切深分別為0.01 mm和兩次0.005 mm。但由于機床剛度不足和刀具讓刀等原因，為了保證加工質(zhì)量，現(xiàn)在全都是走完最后一刀，再在切削深度方向零進給走一刀，每次走刀的耗時在40 min，所以一個孔的精加工加上輔助時間就需要近3.5 h。3個球孔的精加工共需要11 h左右。由于訂單增加，類似球孔零件逐漸增多，同時也為了降低加工成本，迫切要求減少其加工時間，經(jīng)過對整個零件工藝過程的分析，能夠最明顯縮減加工時間的工序就是球孔精加工工序，所以問題最后歸結(jié)為如何縮短球孔加工工時。

圖2 立式加工中心球孔加工過程和刀具

圖3 銑削球孔時刀具路徑

2 解決方案

綜合分析后認(rèn)為，改進可以從以下幾個方面進行：

(1)在現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化刀具和切削用量，這樣可以部分提高加工速度，減少加工耗時，但經(jīng)過試驗效果并不明顯，試驗結(jié)果如下表所示。

表1 優(yōu)化切削參數(shù)和刀具前后結(jié)果對比

(2)使用成型刀具，一般成型刀具具有較高的加工效率和加工精度。分析當(dāng)前球孔加工工藝可以看出，之所以加工耗時長，主要的一個原因是為了保證加工精度，精加工時刀具沿軸向的步進間距非常小，導(dǎo)致加工特別緩慢，如果使用成型刀具即可不用沿主軸方向移動，將極大地提高加工效率，為也特別定制了球形成型刀，如圖4所示。但由于高溫合金特別差的加工性能導(dǎo)致成型刀的優(yōu)點并沒有體現(xiàn)出來，并且還存在如下問題，首先刀具價格高；其次刃磨困難，再有就是加工后加工精度并不穩(wěn)定，刀具壽命低，并且容易崩刃，如圖4 右側(cè)圖所示。

圖4 成型刀具使用前和使用后

(3)采用陶瓷等高硬度刀片和高壓冷卻技術(shù)進行高速銑削加工，該方法理論上也可以極大提高加工速度，但由于需要購置新設(shè)備，所以暫時沒有進行試驗。

(4)采用其他加工手段，不采用銑削的方法加工而改為鏜削或車削等方法加工，由于鏜削球孔較為復(fù)雜并且效率也不高，如果能夠采用車削將是最為合適的方法了。要想采用車削加工形狀不規(guī)則的零件，其關(guān)鍵是要解決車夾具的設(shè)計和車削加工后孔與孔之間的位置精度。經(jīng)過對零件結(jié)構(gòu)特點的分析和參照類似零件車夾具的已有設(shè)計圖，設(shè)計出了如圖5所示的車夾具。加工時工件固定在底板上，工件連同底板可以圍繞以3個球孔中心所確定圓的圓心處的銷軸轉(zhuǎn)動，銷軸裝在連接板上，連接板與臥式車床主軸或立式車床工作臺連接。例如，在夾具當(dāng)前位置是加工中間這個球孔，銷是另一定位銷，用兩個定位銷以及連接板底面完全確定當(dāng)前加工狀態(tài)下工件與連接板相對于底板的位置。當(dāng)加工完中間這個孔后，將定位銷拔出，連接板和工件以另一定位銷為回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)到另一個孔的加工位置，然后裝好銷，加工完第二個孔，以類似的方法加工第三個孔。孔與孔之間的位置精度靠夾具精度來保證，為保證夾具精度，夾具底板和連接板的定位孔要配做加工。

圖5 車夾具

采用此夾具加工，就是夾具在初始安裝調(diào)整時較為費時，根據(jù)工人的技術(shù)水平，初始安裝調(diào)整可能需要20～40 min，夾具安裝好后，根據(jù)粗略測算，單個球孔的加工時間在35 min左右，這樣3個球孔最慢也不超過2 h即可加工完成，比原先要節(jié)省9 h。

3 試驗驗證

為了驗證以上設(shè)計方案，按照設(shè)計圖紙制造了相應(yīng)夾具并進行了加工實驗。試驗機床是程泰GV1200立式車銑加工中心機床，刀具如圖6所示。重點考察精加工時的情況，為方便與采用立式加工中心銑削方法相對比，球孔也是粗加工到單邊最厚處留3.5 mm，然后粗車以0.5 mm /次共需6次走刀和0.3 mm 1次走刀來去除余量3.3 mm，留0.2 mm的精加工余量，車切削相關(guān)參數(shù)為，工作臺轉(zhuǎn)速為100 r/min，進給量為12 mm/min，精加工每孔分2次走刀，切削深度分別為第一刀單邊0.15 mm，第二刀單邊0.05 mm，每個孔所用加工時間共為約30 min，3個孔連同輔助時間（不算初始安裝時間）共耗時1 h45 min，車夾具初始安裝調(diào)整用時約45 min。加工后的工件經(jīng)檢測，尺寸精度和位置精度都符合要求，同時也得到了更好的加工表面質(zhì)量，唯一不足之處是在球面的平行于端面的中面處，一條接刀痕，但并不影響加工質(zhì)量，車削工件和刀具如圖6 所示。

圖6 夾具工件和刀具

4 結(jié)語

此航空發(fā)動機吊架零件，若不考慮其材質(zhì)，僅從形狀和技術(shù)要求上來說，并沒有什么加工難度。但由于其材質(zhì)是Inconel718鎳基高溫合金，又有加工精度要求較高的球孔，導(dǎo)致單件加工時間較長。為提高切削加工效率，選取加工難度最大，也是最有改進潛力的球孔切削加工部分進行了討論和實驗研究。討論了不同改進方法的可行性，并比較了各改進方法的效果。結(jié)果很明顯，采用車削加工手段能夠大幅度提高加工效率。由于車削加工是連續(xù)切削，所以相較于斷續(xù)切削的銑削加工，刀具的工作條件更好，允許使用更快的切削速度和進給速度以及更大的切削深度，同時還能夠提高零件表面加工質(zhì)量。使用車削加工方法加工此類吊架零件的關(guān)鍵是車夾具的設(shè)計。因為零件加工后的位置精度完全依靠夾具的精度來保證，所以一定要控制好車夾具的制造精度。至于此類夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計本身并沒有什么難度，但需要考慮夾具整體的回轉(zhuǎn)平衡問題，合理設(shè)置配重。通過對此吊架零件加工工藝的優(yōu)化過程可見，對于同一零件采用不同的工藝方法加工，其加工效果差別是巨大的，尤其是對于如高溫合金、不銹鋼和鈦合金等難加工材料，所以在實際生產(chǎn)中制定相應(yīng)零件加工工藝的時候，要通過多分析、多比較、多實驗，找出在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下最優(yōu)的加工工藝。

[1] 方亮,石金東.高溫合金 GH4169切削工藝[J].航空制造技術(shù),2000(6):2-4.

[2] 沈興東,黃景衡.高溫合金的可切削性分析與切削刀具設(shè)計[J].工具技術(shù),2006(9):2-6.

[3] 徐鴻本.機床夾具設(shè)計手冊[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2004.