李中生 王 海 于新峰 于 鯤

（1．空裝駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2．中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，該領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)性能以及各級(jí)零組件的要求也隨之提高。傳統(tǒng)導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)為前半、后半對(duì)開(kāi)結(jié)構(gòu)，釬焊蜂窩后通過(guò)螺栓裝配形成，在加工過(guò)程中存在釬焊后硬度下降、加工過(guò)程中容易變形、精密尺寸公差難以保證以及裝配結(jié)構(gòu)重量大且存在漏氣風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，滿足零件的加工需求，研究人員積極探索新材料的加工技術(shù)方案。但是由于一體導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且新材料成熟度較低，因此存在成形尺寸和某些性能不穩(wěn)定以及加工參數(shù)處于摸索階段等問(wèn)題。

1 零件分析

某型號(hào)導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)是采用新材料壓鑄成型的，屬于鈦合金環(huán)形件，對(duì)尺寸和技術(shù)有很?chē)?yán)格的要求。該材料基體強(qiáng)度高，高溫性能優(yōu)異，比重僅為高溫合金的50%～60%，是1種具有良好應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。

傳統(tǒng)導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精密尺寸少，主要考慮焊接后零件變形的問(wèn)題。該零件采用新材料，其結(jié)構(gòu)為一體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，與同類(lèi)型零件的前、后半結(jié)構(gòu)不同，該零件的整體性有所提升，但是由于該結(jié)構(gòu)裝配型面多、精密尺寸多且對(duì)形位公差有非常嚴(yán)格的要求，因此主要考慮加工風(fēng)險(xiǎn)和控制變形風(fēng)險(xiǎn)。

從上述分析可知，該零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多處精密尺寸、精密孔和小孔徑斜孔，加工難度較大，為了保證零件的成功交付，需要從設(shè)計(jì)圖紙、工藝方案、工裝方案和數(shù)控方案等方面考慮零件的全加工過(guò)程。

要保證新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的合格交付，就需要考慮加工過(guò)程中變形的控制，從而保證零件的尺寸合格。因此分別從裝夾、加工、檢測(cè)和切削性能對(duì)零件進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 某型號(hào)導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)

2 加工驗(yàn)證

2.1 專(zhuān)用夾具驗(yàn)證

2.1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

從工藝性角度對(duì)新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要考慮加工過(guò)程中零件裝夾和找正的需求，結(jié)合對(duì)零件加工尺寸精密性、加工連續(xù)性的考慮，可以對(duì)可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行梳理；主要包括零件前端和后端定位面過(guò)小、存在高度差無(wú)法直接定位、零件內(nèi)外圓無(wú)壓緊位置以及加工過(guò)程中刀具與壓板干涉等問(wèn)題。

2.1.2 工藝路線制定

基于設(shè)計(jì)圖紙要求的尺寸，并結(jié)合機(jī)匣零件變形控制經(jīng)驗(yàn)，確定零件加工的工藝余量分布，選擇加工零件的設(shè)備，制定新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的工藝路線并編制適合新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)現(xiàn)場(chǎng)加工的工藝規(guī)程，如圖2所示。

2.1.3 毛料需求

為了滿足零件粗加工、半精加工過(guò)程中的裝夾、定位需求，需要在原有毛料基礎(chǔ)上預(yù)留工藝邊，從而滿足精加工零件的裝夾需求，保證零件的精密尺寸和形位公差。

2.1.4 加工過(guò)程結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)毛料預(yù)留工藝邊，可以減少設(shè)計(jì)、制造零件粗車(chē)、半精車(chē)以及精車(chē)后端3個(gè)工序?qū)Ｓ霉ぱb的工作量，但在零件進(jìn)行精車(chē)后端和銑徑向孔加工的時(shí)候，就會(huì)面臨零件定位面過(guò)小、找正困難、存在變形風(fēng)險(xiǎn)以及裝夾位置與刀軸干涉等問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具。

2.1.5 專(zhuān)用夾具效果評(píng)價(jià)

專(zhuān)用夾具解決了零件加工過(guò)程中的裝夾問(wèn)題，提高了零件裝夾的穩(wěn)定性。加工后，零件端面跳動(dòng)沒(méi)有變化，圓周跳動(dòng)僅變化了0.01 mm（由0.03 mm變化至0.04 mm），符合工藝加工的要求，也保證了零件的尺寸及形位公差。

2.2 新結(jié)構(gòu)刀具驗(yàn)證

2.2.1 加工型面分析

對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中零件的結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行梳理。在導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的前后端、內(nèi)側(cè)和外側(cè)共存在4個(gè)裝配用半環(huán)形槽，尺寸均為Φ2.5（+0.1，0）mm，該尺寸通過(guò)車(chē)加工保證，但是常用車(chē)加工刀片難以滿足要求，需要派制專(zhuān)用刀片，同時(shí)考慮在加工后端時(shí)，存在型腔較小的情況，因此需要派制L型專(zhuān)用刀桿。

圖2 工藝路線

零件外圓存在21處徑向均布臺(tái)階孔，需要加工中心對(duì)其進(jìn)行臥式加工。在加工零件的徑向孔時(shí)，要使用壓板壓緊G面，普通刀具懸長(zhǎng)難以達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的孔深，普通銑刀刃長(zhǎng)也難以滿足相關(guān)要求，因此使用加長(zhǎng)銑刀。

零件前端面45處均布Φ4 mm的斜孔，加工斜孔時(shí)需要翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)，由于零件結(jié)構(gòu)的限制，該孔深大于25 mm，因此加工時(shí)還需要避讓干涉部位，普通刀具、刀桿懸長(zhǎng)難以滿足要求，需要使用加長(zhǎng)刀桿完成相關(guān)操作。

2.2.2 車(chē)加工刀具驗(yàn)證

針對(duì)型面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造專(zhuān)用刀桿和刀片，如圖3所示，保證能夠加工合格的尺寸為Φ2.5 mm的裝配型面。

2.2.3 銑加工刀具驗(yàn)證

圖3 L型車(chē)刀

在加工徑向孔時(shí)，為了避免零件、壓板與刀柄之間的干涉，選用加長(zhǎng)銑刀，避開(kāi)干涉部位，完成對(duì)零件的加工；同時(shí)選擇螺旋銑完成加工操作，可以減少加工應(yīng)力，延長(zhǎng)刀具的壽命，保證零件加工的過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。加工斜孔時(shí)，零件與刀柄存在干涉，如果選用剛性差、長(zhǎng)徑比大的加長(zhǎng)刀具就難以完成對(duì)斜孔的加工，因此選擇“階梯式”銑刀刀柄（如圖4所示），可以解決干涉和刀具剛性差的問(wèn)題。

2.3 先進(jìn)加工技術(shù)驗(yàn)證

2.3.1 數(shù)控方案制定

該零件的材料塑性較差，約為鈦合金的1/10。零件的加工難點(diǎn)主要包括車(chē)加工精密尺寸、精密徑向臺(tái)階孔。因此，主要從車(chē)加工控制變形、徑向精密臺(tái)階孔以及小徑斜孔的加工方面制定數(shù)控方案[1]。

由車(chē)加工形成整體的外型輪廓，精密尺寸較多，需要多次車(chē)加工保證零件的尺寸，在加工零件的過(guò)程中，存在材料去除量大、加工應(yīng)力大以及容易變形等問(wèn)題，保證精密尺寸存在困難。在精車(chē)前端工序中，可以采用分層車(chē)加工去除大余量。

徑向臺(tái)階孔直徑尺寸大，如果選用傳統(tǒng)的打點(diǎn)-鉆孔-擴(kuò)孔-鉸孔的加工方式，就會(huì)因加工參數(shù)選擇不當(dāng)而造成零件受力不均，從而影響零件的質(zhì)量。因此，選擇了加工應(yīng)力較低的方式—高速螺旋銑加工。

2.3.2 分層車(chē)加工方案驗(yàn)證

傳統(tǒng)車(chē)加工存在切深和加工參數(shù)不固定等問(wèn)題，加工過(guò)程中應(yīng)力不均勻，零件易變形。為了減少加工應(yīng)力，研究人員通過(guò)固定切深（0.3 mm）來(lái)固化加工參數(shù)；通過(guò)分層車(chē)加工實(shí)現(xiàn)車(chē)加工的無(wú)人干預(yù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法減少了20次人工干預(yù)，也減少了零件的加工變形，車(chē)加工零件尺寸合格，技術(shù)條件合格，圓周跳動(dòng)0.02 mm。

圖4 階梯式銑刀刀柄

2.3.3 高速螺旋銑孔加工方案驗(yàn)證

相比較傳統(tǒng)鉆孔工藝，螺旋銑采用了全新的加工方式。在螺旋銑孔加工過(guò)程中由主軸的“自轉(zhuǎn)”和圍繞主軸繞孔中心的螺旋進(jìn)給2種運(yùn)動(dòng)組合而成。它具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1） 與傳統(tǒng)加工的運(yùn)動(dòng)軌跡（直線）不同，該加工過(guò)程中刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋線，可以達(dá)到用1把刀具加工多種直徑孔的目的，提高了加工效率。2） 螺旋銑孔加工過(guò)程是一個(gè)斷續(xù)銑削的過(guò)程，能夠使刀具快速散熱，進(jìn)而降低刀具因溫度累計(jì)過(guò)高而造成磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。3） 偏心加工的加工方式可以保留足夠的空間使切屑從孔槽排出，降低排屑方式對(duì)孔質(zhì)量的影響[2]。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，硬質(zhì)合金刀具加工高溫合金材料的銑削速度可以達(dá)到40 m/min，使用直徑為Ф16 mm的銑刀，轉(zhuǎn)速為600 r/min；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的螺旋銑參數(shù)，進(jìn)給試驗(yàn)范圍設(shè)計(jì)為80 mm/min。

根據(jù)計(jì)算公式，T=加工厚度/（π×（加工直徑-刀具直徑）×tan（3 °～5 °）），可以算出理論分層數(shù)，例如使用Ф6 mm銑刀加工Ф8 mm孔，加工厚度為5 mm，加工傾角取5 °，則理論分層數(shù)為16層。

加工前找正零件，圓周跳動(dòng)0.02 mm，加工后零件圓周跳動(dòng)0.03 mm，徑向尺寸全部合格。驗(yàn)證時(shí)采用高速銑削加工零件，轉(zhuǎn)速上升，刀具消耗降低，加工時(shí)間減少了90 min，效率提升了37.5%。

2.4 新材料加工參數(shù)試驗(yàn)

2.4.1 加工參數(shù)試驗(yàn)方案制定

結(jié)合工藝路線和加工內(nèi)容，零件以車(chē)削加工為主，車(chē)削主要使用常見(jiàn)的R0.8偏刀和R2球刀，粗精加工有序分布，加工部位也以非常典型的內(nèi)外圓、端面居多，具備較好的試驗(yàn)條件，因此車(chē)削加工以分組試驗(yàn)的方式采集加工數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

銑削加工的工序較少，加工余量有限，主要加工位置為端面槽、端面孔和徑向孔，加工刀具包括端銑刀、鉆頭和鏜刀等。

從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，優(yōu)先探索加工時(shí)存在的3個(gè)主要控制變量（切削速度（轉(zhuǎn)速）、進(jìn)給量和切削深度）。盡可能地降低其他因素的影響，從而凸顯新材料在不同加工參數(shù)組合中的表現(xiàn)。

綜上所述，車(chē)削以R0.8、R2硬質(zhì)合金涂層刀片完成加工，通過(guò)應(yīng)用不同參數(shù)組合、記錄切削狀態(tài)度相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；銑削加工以保守加工、總結(jié)加工參數(shù)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4.2 金屬切削的基本參數(shù)

在零件加工過(guò)程中，切削參數(shù)的選擇對(duì)零件加工質(zhì)量、加工效率有非常大的影響。金屬切削中包括的切削參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 金屬切削參數(shù)

2.4.3 試驗(yàn)參數(shù)選取范圍

以高溫合金常用的切削參數(shù)為參考，以n=15 r/min～30 r/min，f=0.1 mm/r～0.3 mm/r以及ap=0.2 mm～0.4 mm為出發(fā)點(diǎn)[3]，適當(dāng)向“高點(diǎn)”拓展范圍，同時(shí)在較穩(wěn)妥的“低點(diǎn)”范圍增加數(shù)據(jù)采集的密度。

2.4.4 效果評(píng)價(jià)

影響切削過(guò)程的因素有很多，例如切削力、切削熱、材料、切削用量、刀具規(guī)格、切削連續(xù)性、振動(dòng)、冷卻、潤(rùn)滑、刀具磨損積屑以及偶發(fā)意外等，觀察和測(cè)量變量的難度較大，實(shí)際操作效率很低或者根本不具備觀測(cè)條件。

需要1種或幾種能夠直觀觀察、直接表征切削過(guò)程優(yōu)劣程度且方便對(duì)比分析的特征作為觀測(cè)量，從而用該特征記錄不同切削過(guò)程的優(yōu)劣程度。

通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)并對(duì)不同加工效果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)得出材料去除率對(duì)零件加工質(zhì)量的影響，總結(jié)出1套量化質(zhì)量與效率系數(shù)的方法，見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)效果

取得1、2級(jí)質(zhì)量系數(shù)時(shí)，不同切深所需要的切削速度和進(jìn)給量如下：1） 切深為0.2 mm以下時(shí)，可以選擇的進(jìn)給范圍為0.1 mm/r～0.3 mm/r，切深、進(jìn)給增大時(shí)切削速度必須降低。2） 切深為0.3 mm以上時(shí)，進(jìn)給不能大于0.3 mm。3） 切深為0.3 mm以上時(shí)，切削速度不大于55 m/min。

取得3級(jí)以上質(zhì)量系數(shù)、3級(jí)以上效率系數(shù)時(shí)，不同切深所需要的切削速度和進(jìn)給量如下：1） 當(dāng)切深為0.2 mm時(shí)，進(jìn)給不低于0.2 mm/r。2）進(jìn)給主要在0.1 mm/r～0.4 mm/r，且隨切深、進(jìn)給的增大，切削速逐漸降低。3） 切削速度一般不低于35 m/min，當(dāng)切深在0.3 mm以下時(shí)，切削速度可以達(dá)到60 m/min以上。4） 參數(shù)的基本范圍。切深的范圍是0.2 mm～0.5 mm，進(jìn)給的范圍是0.2 mm/r～0.3 mm/r，切削速度的范圍是35 mm ～65 mm（切深大于0.3 mm時(shí)，切削速度大幅降低）。

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：1） 針對(duì)新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)的材料特點(diǎn)，制定合理的工藝路線、合理的余量分配以及對(duì)關(guān)鍵尺寸和關(guān)鍵技術(shù)條件的加工方案，形成適合新材料導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)現(xiàn)場(chǎng)加工的工藝規(guī)程。為同類(lèi)型零件的工藝路線及余量安排開(kāi)辟新道路。2） 針對(duì)新材料開(kāi)展切削車(chē)削、銑削切削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)重點(diǎn)工序進(jìn)行工藝參數(shù)試驗(yàn)研究，確定合理的工藝參數(shù)，總結(jié)出1個(gè)較為經(jīng)濟(jì)、合理的機(jī)加切削方案。