摘 要：某內、外流道前段為新結構機匣，此結構以往僅出現(xiàn)在鈑金件上。該零件由安裝邊、流道面和凸臺構成，安裝邊上分別分布48處和64處螺栓孔，流道面內、外部存在8處2mm厚U型環(huán)槽，環(huán)槽上又存在32處徑向孔，加工難度大。通過分析零件結構，查找零件加工風險點及加工難點，制定合理的裝夾方案、工藝方案及數(shù)控方案，解決加工過程中零件變形問題，形成零件成熟、穩(wěn)定的加工方案，打通新結構內、外流道前段制造技術滿足新機研制需求。

關鍵詞：新結構機匣；加工方案；變形控制

引言

內、外流道前段毛坯為鍛件，內流道前段最大外圓φ620mm、高度130mm、壁厚3mm，外流道前段最大外圓φ800mm、高度140mm、壁厚3mm，均屬典型的薄壁結構，整體剛性較差。零件圓周分布 8處寬60mm、高80mm、厚2mm的U型環(huán)槽，均需采用銑削方式形成，材料去除率達90%以上，受切削應力、內部殘余應力以及裝夾受力不平衡的影響，加工過程易產生較大變形，直徑、壁厚及流道面輪廓度等特性不易保證。由于內、外流道前段結構的特殊性，目前尚無此類零件的加工經(jīng)驗，為保證零件合格交付，滿足研制需求，并為后續(xù)相似零件的加工提供經(jīng)驗及理論依據(jù)，開展本次技術研究。

一、研究背景

該內流道前段屬典型的薄壁結構，整體剛性較差。零件內部8處U型環(huán)槽和豁口需采用銑削方式形成，銑削量大，材料去除率達到92%，加工過程易產生較大變形，導致精密直徑、壁厚、流道面輪廓度等特性不易保證，其由安裝邊、流道面和U型環(huán)槽構成，安裝邊上分布48處螺栓孔和8處螺紋孔，流道面上存在1700余個氣膜孔，流道面內部存在8處2mm厚的U型環(huán)槽，環(huán)槽上又存在32處徑向孔和8處豁口，流道面外部采用熱障涂層進行隔熱保護。

該外流道前段與內流道前段結構相似，由安裝邊、流道面、U型環(huán)槽和凸臺構成，安裝邊上分布64處螺栓孔和8處螺紋孔，流道面上存在2700余個氣膜孔，流道面外部存在8處2mm厚的U型環(huán)槽和9處凸臺，環(huán)槽上又存在32處徑向孔和8處豁口，流道面內部采用熱障涂層進行隔熱保護，U型環(huán)槽、豁口和凸臺均需采用銑削方式形成，銑削量大，材料去除率達到94%，加工過程易產生較大變形，導致精密尺寸特性不易保證。同時U型環(huán)槽上徑向存在32處φ8.5mm孔，由于空間限制，現(xiàn)有條件無法實現(xiàn)φ8.5mm孔的機械加工，需制定適宜的加工方案。

二、現(xiàn)有問題

通過上述對零件的分析，可以確定其加工難點及風險點如下：

一是內、外流道前段屬新結構機匣零件，以往無此結構零件，缺乏加工經(jīng)驗。零件流道面處壁厚僅為3mm，且無加強筋，整體剛性較差。零件內、外部存在8處U型環(huán)槽，環(huán)槽深度15mm、寬度60mm、高度達80mm，且壁厚僅為2mm，銑削量大，受切削應力、內部殘余應力等因素的影響，加工過程中易產生較大變形，影響零件加工精度，導致直徑、壁厚及流道面輪廓度等特性不易保證。

二是由于內外流道前段結構特殊，零件前端無安裝邊，加工過程中無合適的裝夾定位基準，裝夾定位困難。同時零件直徑大、壁厚薄，屬于典型的大直徑薄壁機匣，整體剛性較差，且流道處表面為弧面，若裝夾定位安排不合理，極易造成零件裝夾變形，影響零件加工精度。

三是內、外流道前段內、外部U型環(huán)槽上徑向存在32處φ8.5mm孔，而U型環(huán)槽寬度僅為60mm，由于空間限制，現(xiàn)有條件無法實現(xiàn)φ8.5mm孔的機械加工。

三、技術方案

（一）分析攻關目標，制定驗證方案

通過上述分析，可以看出內、外流道前段的加工難點及風險點，主要為零件變形問題和φ8.5mm徑向孔加工問題。因此，為了保證零件合格交付，本次技術研究主要開展新結構內、外流道前段變形控制研究及狹小凹槽結構上徑向孔加工技術方案及其應用情況。

（二）零件變形控制方案

由于加工方案的好壞直接影響零件的加工質量，而加工方案主要體現(xiàn)在工藝路線、加工余量、裝夾方式、加工方式及切削參數(shù)等方面，故控制零件變形方案將從以下幾個方面開展：

1.工藝路線。工藝路線的安排不僅要考慮內應力的釋放，減少內應力引起的變形誤差，還要考慮裝夾方便、可靠，盡可能減少夾緊誤差引起的變形。由于以往無此結構零件，沒有可借鑒的工藝路線，依據(jù)機匣零件加工經(jīng)驗，結合物理仿真技術，經(jīng)相關人員評審，初步確定了內、外流道前段零件整體工藝路線。同時結合內、外流道前段自身的特點，特制定如下工藝安排：先進行粗車、粗銑加工內容，初步形成零件輪廓后進行穩(wěn)定處理，消除部分零件內應力，降低精加工內部殘余應力引起的變形。 經(jīng)多次影響分析，確定兩種粗加工方案：一是粗銑型面時U型環(huán)槽位置形成豁口，降低精銑切削量，后續(xù)車加工斷屑切削；二是粗銑型面時U型環(huán)槽初步形成，保留型面連續(xù)，未形成豁口，精銑切削量增加，后續(xù)車加工連續(xù)切削。針對加工內容對上述方案進行詳細的分解，同時為了驗證上述兩種方案的優(yōu)劣性，對內、外流道前段分別采用不同的粗加工方案，依據(jù)方案確定了零件的工藝路線。

2.加工余量。加工余量的大小，直接影響零件的加工精度和質量。加工余量過大，不僅會導致成本的浪費，而且還會增加零件的變形，加工余量太小，又不能消除上道工序產生的各種偏差，同樣影響零件加工質量。為了控制零件變形，應合理分配各工序的加工余量。

參照典型高溫合金機匣零件加工余量分布，粗加工后零件單邊余量一般留2mm～3mm，結合內、外流道前段零件工藝特點，粗加工后形成U型槽，物理仿真零件穩(wěn)定處理后最大變形量為2.3mm，為了避免穩(wěn)定處理后零件變形大，后續(xù)工序無法消除偏差，部分表面余量增大到4mm。

3.裝夾方式。內、外流道前段壁厚較薄，剛性較差，裝夾定位不可靠或不合適的裝夾方式，在切削力的作用下，將引起零件產生較大變形。為了保證零件裝夾可靠，降低裝夾誤差引起的變形，在零件粗車時前端增加工藝邊，精車到位后仍保留工藝邊，精銑型面、鉆孔后再對工藝邊進行去除。同時，粗銑型面時形成后端安裝邊，保證前端加工時裝夾定位的可靠。同時為了保證零件裝夾可靠，增強零件加工剛性，降低切削力過大引起的零件變形，設計穩(wěn)定裝夾方案，精銑型面時增加對內、外表面的支承，保證型面尺寸合格。

4.加工方式?？刂沏娤骷庸ぷ冃螌取⑼饬鞯狼岸问欠浅Ｖ匾囊画h(huán)，先進的加工方法（螺旋插補銑加工、高速分層銑加工、對稱銑加工等）對控制零件變形，特別是大直徑薄壁件非常有效，因此需要對內、外流道前段帶有的型面、凹槽、豁口、安裝邊及安裝座上孔分別采取不同的加工方式及走刀路徑。由于型面、凹槽處余量較大，為了均勻釋放加工應力，減少零件變形，故采用粗銑、半精銑、精銑的方式進行加工。粗銑加工主要以去余量為主，給后續(xù)加工預留1mm余量。半精銑加工主要為修復粗加工誤差，且為精加工做好準備，使余量均勻分布，留0.3mm左右余量。精銑加工主要為保證零件尺寸及表面質量，為了控制零件變形，針對8處凹槽、型面采用對稱銑削進行加工，均勻釋放銑加工應力，使加工應力盡量平衡，降低零件變形量；針對8處型面、凹槽及豁口采用分層銑削進行加工，每層切深0.3mm左右，利用分層銑削小切深、低應力的特點，降低切削過程中的切削力，減少零件變形量；針對安裝邊及安裝座上孔采用螺旋銑削進行加工，利用螺旋銑斷續(xù)銑削的過程，可利用軸向切削力進行轉化及降低的特點，降低切削過程中的軸向切削力，減少零件變形。依據(jù)螺旋銑削原理，φ7mm孔采用φ6mm R0.5mm銑刀進行加工，φ5mm孔采用φ4mm R0.5mm銑刀進行加工。

5.切削參數(shù)。切削參數(shù)的好壞直接影響零件的加工質量，合理的切削參數(shù)，不僅可以降低刀具消耗，提高加工效率，而且可以減少零件變形。參照外流道環(huán)加工技術方案應用成果，結合零件加工過程及結構特點，制定本次加工研究的切削參數(shù)。

（三）零件凹槽徑向孔加工方案

方案一：采用成型電極+專用電極夾頭的方式，實現(xiàn)φ8.5mm徑向孔的初步加工，然后采用手動的方式去除重熔層。

方案二：使用小動力頭，裝夾φ6mm R0.5mm合金銑刀，采用螺旋插補銑削的方式進行加工。

考慮到手動去除重熔層，會導致φ8.5mm孔表面不規(guī)則，影響孔表面質量及位置度，同時內流道前段U型環(huán)槽在零件內部，不方便手動處理。而采用動力頭方案，不僅可以采用機械加工的方式實現(xiàn)φ8.5mm孔的加工，保證孔表面質量及加工一致性，同時可以實現(xiàn)與精銑型面工序一次裝夾加工，保證孔的位置要求。故本次技術研究選擇使用小動力頭，通過機械加工的方式進行φ8.5mm徑向孔的加工。

四、現(xiàn)場驗證

（一）加工方案驗證

按照上述兩種方案分別對內流道前段和外流道前段進行了現(xiàn)場生產驗證，分別對零件穩(wěn)定處理后、精車后和精銑后三個過程的狀態(tài)進行數(shù)據(jù)收集。

1.兩種方案穩(wěn)定處理后零件對比。采用方案一（粗銑形成豁口）的內流道前段穩(wěn)定處理后自由狀態(tài)下零件平面度為0.10mm～0.12mm，圓度為0.15mm～0.20mm，采用方案二（粗銑未形成豁口）的外流道前段穩(wěn)定處理后自由狀態(tài)下零件平面度為0.15mm～0.18mm，圓度為0.20mm。兩種方案驗證的零件穩(wěn)定處理后變形量均較小，遠小于物理仿真結果。

2.兩種方案精車后零件對比。采用方案一的內流道前段精車后自由狀態(tài)下零件平面度為0.03mm～0.04mm，圓度為0.10mm～0.15mm，采用方案二的外流道前段精車后自由狀態(tài)下零件平面度為0.05mm，圓度為0.15mm。兩種方案驗證的零件精車后變形量基本相同，狀態(tài)一致。

3.兩種方案精銑后零件對比。采用方案一的內流道前段精銑后自由狀態(tài)下零件平面度為0.08mm～0.10mm，圓度為0.22mm～0.30mm，采用方案二的外流道前段精銑后自由狀態(tài)下零件平面度為0.15mm，圓度為0.35mm～0.45mm。上述數(shù)據(jù)表明方案一加工的零件最終狀態(tài)要優(yōu)于方案二加工的零件。

通過對兩種方案驗證零件的三個過程數(shù)據(jù)對比分析可知，雖然限制狀態(tài)下零件特性均滿足圖紙要求，但自由狀態(tài)下存在差異。穩(wěn)定處理后和精車后兩種方案加工的零件圓度和平面度基本相同，精銑后方案一（粗銑形成豁口）加工的零件圓度和平面度均要小于方案二（粗銑未形成豁口）加工的零件，故可以判定方案一優(yōu)于方案二。

（二）其他問題解決

按上述方案分別對內、外流道前段進行多臺現(xiàn)場加工驗證，零件加工過程較為順利，但也存在部分問題。為了降低銑削變形量，采用方案一的內流道前段零件在粗銑型面時形成豁口，后續(xù)車加工時為斷屑切削，按前期制定的切削參數(shù)加工，刀具磨損嚴重，無法完成一次切削，其解決方案及結果如下：一是仍采用相同牌號的R0.8mm偏刀加工，調整切削參數(shù)，制定與刀具匹配的切削參數(shù)，通過調整轉速、進給試驗，切削參數(shù)僅能在轉速S=8r/min、進給速度F＜0.12mm/r下完成一次走刀切削，加工時間長；二是試驗不同牌號的R0.8mm偏刀加工，尋找與零件匹配的刀具材料，通過試驗不同牌號的R0.8mm偏刀，發(fā)現(xiàn)更換不同廠家或涂層的刀具進行加工，并不能降低加工時間，切削參數(shù)的增大同樣會導致刀具磨損嚴重，無法實現(xiàn)一次走刀；三是由于連續(xù)切削過程刀具磨損不嚴重，而零件存在8處凹槽，斷屑切削過程中刀具與零件反復碰撞，導致刀具磨損嚴重，故試驗不同結構類型刀具，尋找與零件匹配的刀具結構，提升加工效率，通過試驗，采用球刀加工，并不能降低加工時間，切削參數(shù)的增大同樣會導致刀具磨損嚴重，無法實現(xiàn)一次走刀，而采用R1.2mm方刀片進行加工，在刀具可實現(xiàn)一次切削的情況下，切削參數(shù)可提升至轉速S=10r/min、進給速度F=0.15mm/r，加工時間由32小時降低至23小時，故最終采用R1.2mm方刀片進行斷屑切削。

總結

按上述方案分別對零件進行了現(xiàn)場加工驗證，統(tǒng)計內、外流道前段零件尺寸及形位公差共計36個，外流道前段零件尺寸及形位公差 共計61個，經(jīng)檢測所有尺寸及形位公差滿足使用要求。針對內、外流道前段在工藝路線、加工余量、裝夾方式、加工方式、加工參數(shù)等方面進行了深入研究試驗與生產驗證，形成了一套內、外流道前段類零件的加工工藝方案。通過本次技術研究，對內、外流道前段在工藝、工裝、數(shù)控等方面積累了一定的加工經(jīng)驗，保證了零件的加工質量要求，滿足設計圖紙要求。應用技術研究成果，內、外流道前段投產零件均合格交付，滿足了研制需求，并為后續(xù)相似零件的加工提供了經(jīng)驗及理論依據(jù)。