徐 林 于 浩 李 健

（1.空裝駐沈陽地區(qū)第二軍代表室，遼寧 沈陽 110043；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

某機(jī)匣類零件的質(zhì)量穩(wěn)定性對發(fā)動機(jī)整機(jī)性能有較大的影響，該機(jī)匣傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用焊接成型方式，但焊接后的零件變形量顯著增加，個(gè)別安裝邊位置的跳動量超出設(shè)計(jì)要求，無法滿足零件的使用要求，且焊接位置極易產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)破壞性故障，對發(fā)動機(jī)的影響較大。為消除焊接對該類機(jī)匣零件的影響，某新結(jié)構(gòu)裝配式機(jī)匣的研制加工成了發(fā)動機(jī)性能改進(jìn)的重點(diǎn)。

通過對該類零件結(jié)構(gòu)的調(diào)整，其焊接量顯著減少，但由于裝配式結(jié)構(gòu)加工經(jīng)驗(yàn)不足，在研制過程中存在裝配過程問題多、操作難度大等問題，缺少類似結(jié)構(gòu)零件的加工經(jīng)驗(yàn)，須對新結(jié)構(gòu)機(jī)匣的加工研制過程進(jìn)行研究，制定出一套滿足其使用要求的技術(shù)方案。該研究旨在尋找合理有效的加工方法，通過切實(shí)可行的工藝路線完成零件研制。

1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

某新結(jié)構(gòu)機(jī)匣采用鈦合金材料鍛造形成環(huán)形毛料，后續(xù)通過機(jī)械加工及組件裝配的方式形成輪輻式結(jié)構(gòu)機(jī)匣組件，目前缺少類似零件的加工經(jīng)驗(yàn)，通過查找零件加工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及加工難點(diǎn)、研究合理的加工路線、采取先進(jìn)的數(shù)控加工方法、實(shí)施有效的零件變形控制措施，摸索出適合該新結(jié)構(gòu)機(jī)匣機(jī)械加工的技術(shù)方案，形成成熟、穩(wěn)定的加工工藝，完成零件研制加工。

筆者對工藝方案、工裝方案、數(shù)控加工方案進(jìn)行研究并應(yīng)用于實(shí)際加工，快速去除鈦合金鍛造環(huán)形件的大切深材料[1]，完成支板裝配式新結(jié)構(gòu)的輪輻式機(jī)匣的加工及裝配，保證該類零件順利加工并合格交付，為后續(xù)同類型零件的研制生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

2 開展的試驗(yàn)工作

某新結(jié)構(gòu)機(jī)匣首次在該系列零件上采用鈦合金鍛件作為毛坯，外環(huán)全型面特征采用機(jī)械加工的方式完成，外環(huán)、內(nèi)環(huán)及支板由裝配關(guān)系形成組件，取消原系列零件上大量的焊接內(nèi)容。該新結(jié)構(gòu)機(jī)匣零件屬于薄壁結(jié)構(gòu)，零件外型面壁厚尺寸較小，為薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；該機(jī)匣分布共21處徑向21邊形斜面，斜面上共分3種凸臺，內(nèi)環(huán)共21處斜面及窩配合特征，后端型面分布有21處均布斜孔，環(huán)帶分布21處“T”形槽。零件從毛料狀態(tài)到最終狀態(tài)須去除材料122.59kg，材料去除率達(dá)76.62%，銑加工余量大且分布不均勻，最大位置銑加工余量為17mm，且公差要求嚴(yán)格，車加工尺寸公差最小為+0.066mm，且其圓周跳動要求為Φ0.08mm。由于該機(jī)匣裝配結(jié)構(gòu)限制，型面加工配合尺寸精度要求高、余量大，因此須根據(jù)外型尺寸制定高效的數(shù)控銑削加工方案，提高材料去除效率，保證銑加工型面尺寸精度[2]；零件共54個(gè)DS螺紋，該螺紋標(biāo)準(zhǔn)為直九專用鋼絲螺套技術(shù)條件。裝配組件內(nèi)環(huán)為分瓣式結(jié)構(gòu)，支板懸長大（375mm），零件剛性差，并且為斷屑車加工，須摸索該零件的斷屑車加工切實(shí)可行的方案。

根據(jù)上述分析，可總結(jié)以下加工難點(diǎn)：1）相比傳統(tǒng)某機(jī)匣，銑加工量顯著增大，如圖1所示，且存在加工余量不均勻的問題，工藝路線須重新制定及調(diào)整；2）裝配式機(jī)匣車加工精尺寸最終公差為+0.066mm、-0.2mm，且由車加工工序保證，零件壁厚薄，加工難度大，加工時(shí)易變形，需要制定合適的加工余量、切削參數(shù)及裝夾定位方法保證精密尺寸車加工合格[3]；3）傳統(tǒng)某機(jī)匣件精車加工后在端面加工一個(gè)基準(zhǔn)孔，供后續(xù)加工找正，該方法不適用于改某機(jī)匣，因此須重新制定角向傳遞方案；4）由于零件按型面材料去除量大，須尋找高效的銑加工方案；5）裝配式內(nèi)環(huán)為分瓣結(jié)構(gòu)，支板懸長大，零件剛性差，并且斷屑加工。須制定合理的工藝路線、加工方案、裝夾方案以保證零件尺寸精度，減少零件變形并完成零件加工。

圖1 新結(jié)構(gòu)機(jī)匣加工難點(diǎn)分析

3 研制加工過程

3.1 制定合理的工藝路線

結(jié)合零件加工特征確定加工主要流程。單件型面銑加工余量大且不均勻，因此安排粗銑加工，保證精銑加工余量去除均勻，零件腐蝕檢查須試環(huán)，毛料余量大，安排切試件工序，穩(wěn)定處理后安排半精車、精車工序，車加工完成后進(jìn)行精銑、鉆孔工序。

針對零件加工可能存在的變形，進(jìn)氣匣總體工藝方案的制定遵循余量均布原則，盡可能地保證各工序機(jī)加余量均勻，此外還考慮如下因素：1）主要涉及的加工方法有車銑加工、鉆鉸孔、銑螺紋；2）從零件結(jié)構(gòu)分析，該機(jī)匣大部分余量的去除集中在粗、半精加工工序；3）針對車、銑工序，特別是粗車工序，從零件剛性、裝夾穩(wěn)定性、實(shí)際可操作性等方面考慮，預(yù)留工藝邊，這樣增加了后續(xù)工序零件裝夾的穩(wěn)定性；4）考慮粗車工序的加工順序、去除余量的先后，使工序的剛性增加；5）在保證整體剛性足夠的條件下，使銑、車余量一致；根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、壁厚和剛性，選擇銑加工保證壁厚還是車加工保證壁厚；所有車、銑加工完成后，進(jìn)行鉆鏜孔、銑螺紋、銑槽。

加工過程方案制定如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)機(jī)匣加工工藝路線圖

組件為裝配式結(jié)構(gòu)，所有機(jī)加尺寸在單件上加工到位，與批產(chǎn)進(jìn)氣相比零件不再留余量，在會簽時(shí)要求裝配廠余量分配2mm的車加工余量。

組件工藝路線安排：零件加工量較少，按先加工基準(zhǔn)后進(jìn)行精加工的原則制定單工序工藝路線。

3.2 角向傳遞方案制定

零件角向須在粗銑-精加工-組件加工之間傳遞，角向傳遞方案制定如下：1）粗銑加工不涉及端面特征，選取一徑向孔帶余量加工為精孔供后續(xù)精銑找正。2）在第一道精銑按設(shè)計(jì)圖基準(zhǔn)加工出端面基準(zhǔn)孔，加工至精孔后，進(jìn)行后續(xù)型面銑加工及測量。3）針對組件銑加工特征，須找正后端偏置孔，因此在鉆后端面孔工序加工精孔供組件使用。

3.3 車加工方案

機(jī)匣最終車加工精尺寸的公差帶：上偏差0mm、下偏差-0.066mm，且由車加工工序保證，零件直徑大，壁厚薄，加工難度大，加工時(shí)易變形。1）穩(wěn)定處理后安排一道修基準(zhǔn)、兩道細(xì)車工序保證精車加工基準(zhǔn)準(zhǔn)確、余量均勻。2）穩(wěn)定處理后安排一道修基準(zhǔn)、兩道細(xì)車工序保證精車加工基準(zhǔn)準(zhǔn)確、余量均勻。3）擬選用直徑標(biāo)準(zhǔn)件及測量，保證車加工及測量尺寸準(zhǔn)確。

3.4 精銑加工方案

零件所有內(nèi)外側(cè)型面均需銑加工完成。粗銑加工去除余量后，精銑加工的余量均勻分布，無須考慮刀軸方向的分層進(jìn)刀，為保證精銑加工后的尺寸精度及表面質(zhì)量，重點(diǎn)進(jìn)行周向刀路的排布及銑加工殘留高度的計(jì)算。同時(shí)為保證精銑加工的裝夾系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)零件裝夾定位方式及配合面尺寸，提前制備鋁盤進(jìn)行輔助裝夾，使用鋁盤對零件承力位置進(jìn)行面支撐，在可能存在的走刀干涉位置預(yù)留豁口以便于零件的裝夾、加工及檢測。為保證精密尺寸的加工精度，同時(shí)考慮零件的加工效率，制定加工方案，并在加工過程中對程序進(jìn)行調(diào)整。程序加工主要包括以下特征：1）外型平面及螺紋孔、通孔；2）T型槽；3）方形凹臺及螺紋孔；4）新規(guī)格DS螺紋；5）圓形形安裝座及螺紋孔；6）方形凸臺及螺紋孔。

針對不同的數(shù)控加工特征，須分別制定加工方案，派制相適應(yīng)的機(jī)加刀具，根據(jù)零件尺寸、加工設(shè)備特性以及刀具規(guī)格確定相應(yīng)的數(shù)控加工方法，使零件高質(zhì)量、高效加工。

3.4.1 外型面加工

粗銑后零件加工余量均勻，不再進(jìn)行徑向分層，如圖3所示，可減少刀路的分層排布、提高加工效率。

圖3 銑加工效果示意圖

考慮后續(xù)的裝配關(guān)系，對斜面的尺寸要求較高，因此首先銑加工外型面安裝座，然后銑加工外側(cè)大尺寸平面，保證外側(cè)平面上無加工接刀。

3.4.2 精孔及螺紋孔加工

斜孔加工先使用銑刀螺旋銑去余量，后使用可調(diào)鏜刀鏜孔。

零件涉及DS類型螺紋，目前廠內(nèi)無此類型螺紋的加工經(jīng)驗(yàn)。按螺紋特征尺寸選購專用DS螺紋銑刀，制定螺紋底孔加工及銑螺紋加工方案，與工裝設(shè)計(jì)人員研究，按螺紋標(biāo)準(zhǔn)派制DS專用螺紋銑刀及量規(guī)，完成零件加工。

3.4.3 內(nèi)型面加工

內(nèi)型面加工程序主要包括內(nèi)型面跑道型槽、圓弧面槽邊倒角及裝配配合用斜孔，內(nèi)型面加工及裝配狀態(tài)如圖4所示。

圖4 內(nèi)環(huán)銑加工及裝配效果圖示

內(nèi)型面跑道槽深度較大，一次進(jìn)刀加工刀具無法承受切削力，為兼顧加工質(zhì)量及加工效率，使用棒銑刀進(jìn)行軸向分層銑加工，每層余量單邊0.2mm，并于全表面預(yù)留0.1mm余量，在進(jìn)行完畢深槽加工后，對最終余量進(jìn)行光整加工并加工至最終尺寸，確保深槽側(cè)壁無環(huán)狀加工紋理。深槽加工完畢后，在深槽內(nèi)側(cè)槽邊緣圓弧面位置銑加工隨型倒角，便于后續(xù)支板在該位置的裝配。裝配配合用斜孔采用棒銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑加工的方式去除中心余量，之后進(jìn)行鏜孔加工至最終尺寸。

3.5 組件加工方案

裝配式內(nèi)環(huán)零件剛性差，須合理選用工裝以提升零件剛性，控制零件變形。某機(jī)匣組件為減少研制成本，使用裝配廠夾具進(jìn)行修基準(zhǔn)車加工，其余派組合夾具進(jìn)行。

從車前端工序到最后的鉆孔銑螺紋工序都使用組合夾具對內(nèi)環(huán)進(jìn)行輔助支撐。裝夾方案：在零件內(nèi)環(huán)處對每個(gè)支板分別進(jìn)行輔助支撐，外環(huán)采用止口裝夾。零件為分瓣結(jié)構(gòu)，支板懸長大，零件剛性差，并且斷屑加工。 1）修基準(zhǔn)工序底面高低差0.4 mm~0.6 mm，對每個(gè)支板分別進(jìn)行輔助支撐，在自由狀態(tài)下裝夾每個(gè)支板并壓表后再進(jìn)行擰緊輔助支撐，調(diào)整每個(gè)支板，保證壓表高度差0.25mm相同，留余量0.5mm加工。 2）松開輔助支撐，零件回彈后，重新進(jìn)行壓表裝夾保證壓表高度差0.02mm相同。 3）重復(fù)進(jìn)行車加工，消除第一加工造成的零件軸向變形； 4）在研制加工過程中需要不斷調(diào)整斷屑加工的加工參數(shù)，去除余量的加工參數(shù)為ap0.3mm、F0.3mm/r、S30r/min，精加工參數(shù)為ap0.1mm、F0.3mm/r、S30r/min，保證零件加工尺寸及表面粗糙度，并保證零件自由狀態(tài)平面跳動。

組件鉆孔工序中，在夾具組裝時(shí)，將零件加工自由狀態(tài)實(shí)際軸向尺寸傳遞至組合夾具站，按實(shí)際值進(jìn)行組合，來提升提高裝夾穩(wěn)定性，提升接觸面配合質(zhì)量。零件涉及位置度0.02mm的精密孔，派制專用鉸刀完成零件加工。

4 研究成果應(yīng)用情況

本次攻關(guān)成果及應(yīng)用情況如下：1）余量去除較大的粗銑加工不建議使用組合夾具，加工穩(wěn)定性差，影響加工效率；2）DS螺紋加工可根據(jù)螺紋標(biāo)準(zhǔn)派制螺紋銑刀，使用銑螺紋程序模板完成程序編制及現(xiàn)場加工；3）組件斷屑車加工，零件剛性差，采取壓表方式裝夾，去除余量后重新進(jìn)行壓表裝夾，重復(fù)進(jìn)行車加工，零件裝夾造成的軸向變形，保證零件加工尺寸及表面粗糙度；4）裝配式內(nèi)環(huán)零件剛性差，需合理選用工裝以提升零件剛性，控制零件變形。在零件內(nèi)環(huán)處對21個(gè)支板分別進(jìn)行輔助支撐，外環(huán)采用止口裝夾，同時(shí)在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到內(nèi)環(huán)的高度定位尺寸是一直變化的，在夾具結(jié)構(gòu)中增加高度調(diào)節(jié)環(huán)，來提升夾具的通用性。

5 結(jié)論

該研究通過合理安排工藝路線、派制組合夾具、外購非標(biāo)刀具、現(xiàn)場問題快速反應(yīng)等有效措施，首臺零件的加工合格，完成了該新結(jié)構(gòu)機(jī)匣的研制加工任務(wù)。通過對新結(jié)構(gòu)機(jī)匣首臺研制加工過程進(jìn)行分析，制定出一套合理的加工路線、先進(jìn)高效的加工方法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的機(jī)匣類零件的機(jī)械加工及組件裝配，保證新品零件交付合格，滿足了發(fā)動機(jī)性能改進(jìn)的需求，為后續(xù)該類型新結(jié)構(gòu)機(jī)匣的批產(chǎn)改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。