某環段類零件變形控制加工技術

吳旭剛 王小瓊 張啟帆

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 研究內容及目標

某環段類零件為發動機改進設計時增加的零件，該零件的外徑尺寸在φ530mm～φ616mm、內徑尺寸在φ450mm～φ566mm、總高度尺寸為69.5mm，其最小壁厚位置尺寸僅為2mm，零件大、小端外圓存在盲槽結構，盲槽薄壁處存在兩處與外圓同軸度要求相同的φ0.05mm的孔，盲槽端面有兩處與大端基準跳動要求相同的0.05mm的孔且加工過程中不允許有接刀痕。該零件存在2個公差僅為0.044mm的直徑尺寸、 2個公差為0.05mm的直徑尺寸；零件后續須進行切斷，為控制切斷后的變形量，須在機加工時，減少機加工過程中產生的切削殘余應力。

從零件結構上看，零件在加工過程中極易變形，尺寸及技術條件難以滿足設計要求。為保證該零件能夠合格交付并且使用，需要合理安排工藝路線、派制專用的夾具及非標刀具以及提高加工系統剛性，從裝夾方案和裝夾布局方面分析變形機理，制定變形控制方案，實現薄壁環形件裝夾布局的最優化[1]，控制加工后的零件變形量，保證零件尺寸及技術條件滿足設計圖要求。

2 技術狀態分析

該環段類零件需要與葉片單件在前機匣組件部位進行組合裝配使用，在裝配過程中出現葉片單件無法順利裝配在內環上的問題，針對上述發生的情況，須在裝配時對該環段類零件進行加工修理，車修量在0mm～0.12mm，單件的返工影響組件的裝配進度且對零件的質量控制產生惡劣的影響。

該技術研究從工藝路線安排、加工工藝方法、專用工裝使用等多方面進行改進，探索影響零件裝配不合格的原因，提高薄壁零件加工過程的穩定性，控制該環段類零件的變形量，從而提高其加工質量[2]，保證組件裝配合格，并為該類型零件的加工變形控制積累加工經驗，保證后續該類型零件合格。

2.1 零件裝配關系分析

該前機匣組合件的裝配過程如下。將風扇前機匣大端向下平放在工作臺上，裝配風扇靜子葉片，然后裝配某環段類零件，其中一級內環、二級內環整環裝配葉片，最后將風扇一級內環擋塊裝配在風扇前機匣上/下半部上（如圖1所示），用小十二角頭精密螺栓/自鎖螺母固緊，固定螺栓并擰緊螺母，保證機匣上/下半部結合面貼緊。

圖1 前機匣組件中各零件的裝配關系三維圖示

查閱設計圖尺寸，風扇內環與葉片上止口為間隙0.022mm～0.073mm（如圖2所示），下止口為過渡配合，間隙為-0.038mm～0.126mm，從設計意圖分析，零件實際加工尺寸應屬于正態分布，因此零件裝配屬于小間隙配合，內環實際加工尺寸超過中差 0.01mm，就會存在裝配障礙且由于每個環段須安裝17個葉片，綜合影響因素會加劇裝配卡死的概率。

圖2 配合位置的尺寸公差及間隙量圖

2.2 數據分析

對此前裝配部門反饋的兩臺裝配不合格的該環段類零件進行數據統計分析，利用三坐標測量機對零件的實際數據進行檢測，采集四段半環外圓點位，每半環采集8個點，利用最小二乘法擬合計算直徑，對收集的零件外圓直徑數據進行分析，零件變化趨勢均為外圓直徑增大且增大量已超出設計要求的極限間隙值，外圓直徑增大值在0.096mm～0.183mm，內圓增大值在0.092mm～0.190mm，每個半環變形增大量差異較大，產生該變形的原因主要為零件整環切斷后其內部應力的重新分布。

2.3 零件尺寸結構的分析

該環段類零件的直徑尺寸較大且外圓直徑尺寸及盲槽尺寸公差較為嚴格，為0.044mm/0.05mm且均為重要尺寸。零件毛料為整體鍛件，半精加工中去除余量大，精加工時不易控制零件變形；大、小端盲槽常規刀具無法滿足加工需求，須派制專用刀具；零件外型面與大、小端盲槽相接部位，無法一次加工成型，加工中須選擇合理的接到位置以控制零件外表面接刀痕；零件壁厚較薄，內孔、外圓均需進行加工，加工中須考慮兩側均勻去除余量。

2.4 零件的材料特點

該環段類零件的材料為一種典型的鈦合金，它具有中高等的強度和良好的耐腐蝕性且具備導熱性系數低、彈性模量小等特點，導致了其加工過程中出現切削力大、切削溫度高、刀具黏結嚴重的問題。該材料的彈性模量小，因此，該類零件在加工過程中的夾緊變形和受力變形較大，必要時應通過增加輔助支撐的方法增加加工系統剛性[3]。由于該材料的導熱率較低，在切削加工過程中，刀具與工件材料的接觸面上由于摩擦所產生的熱量不能及時散發出去，使切削區域的溫度升高，當溫度達到工件材料的相變溫度時，工件加工面的材料組織結構會發生相應的變化，造成零件變形，根據加工經驗及相關的文獻資料，該材料宜采用高主軸轉速、小切削深度、大進給速度的加工方法進行機械加工。

2.5 工藝路線的分析

該環段類零件的毛料為鍛件，機械加工的整體過程為粗車加工去除部分余量，各表面距最終型面剩余4mm余量時進行超聲波探傷檢查，然后半精車加工去除大部分余量，為后續最終的精車加工在各型面預留均勻的加工余量，進行穩定處理，然后進行精車加工，在各型面均加工至最終尺寸后進行銑槽、鉆徑向孔等鉆、銑加工內容，最終進行切斷。工藝路線初步設定為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷。通過對工藝加工過程的分析，零件各配合止口尺寸均在切斷前完成，整環切斷零件，其內部應力重新分配達到平衡，會造成零件一定程度的變形。因此為減少零件的變形量，應將零件各精密配合止口尺寸的加工調整至切斷后進行。因此，將工藝路線優化改進為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷-精車型面。

2.6 工藝及加工過程分析

該環段類零件的最終精車工序在立式機床上進行加工，須直接放置在機床花盤上、支撐零件底面、壓緊零件上表面進行裝夾加工，由于零件安裝邊厚度僅為3mm，上下端面側壁的壁厚僅為2mm，零件在加工過程中受到切削力的作用，其薄壁位置會存在較大的翹曲變形現象，因此，該裝夾方式不利于控制零件變形量，應對精車工序的裝夾方式進行改進。

零件切斷工序借助線切割設備進行，因此，采用八點壓緊方式，即切斷后每1/4個半環由于僅剩余兩處壓緊，存在切斷后定位不穩定情況，不利于零件切斷時的變形控制，因此，也應對切斷工序的裝夾方式進行優化。

3 加工方案制定

通過以上分析，該環段類零件整體的工藝優化過程可概括為以下幾點：1）優化工藝路線及控制余量，保證配合止口在半環狀態完成；2）優化裝夾方式， 保證零件處于穩定的受力狀態；3）優化加工過程的方法及參數，減少加工應力、控制變形。

3.1 工藝路線優化

該文對零件的裝配過程進行了分析，零件配合止口為外圓面且零件為半環自由狀態裝配，為保證零件加工狀態與裝配狀態的一致性、協調性，將零件配合止口加工調整為切斷后進行，防止由于零件切斷后變形造成的止口尺寸變化，保證加工與裝配狀態的一致性。工藝路線最終確定為粗車-半精車-腐蝕檢查-熱處理-精車-銑加工-切斷-精車型面。

3.2 余量優化

通過對零件變形數據的分析可知，零件最大變形量為0.19mm，綜合考慮零件二次裝夾等累計的誤差，零件切斷后預留0.4mm余量進行精車外型面，保證零件精車后消除由于切斷變形引起的零件翹曲變形。

3.3 零件裝夾優化

為控制零件加工過程中的受力變形，零件在車型面工序采用自制鋁盤進行定位裝夾，裝夾效果如圖3所示，減少加工切削力對零件變形造成的影響，為零件加工創造穩定的裝夾環境，防止零件變形。

圖3 零件裝夾三維圖示

為提高零件切斷前后的穩定性，設計組合夾具時，每1/4半環增加一處壓緊位置，即每1/4半環采用三處壓緊的方式，防止零件切斷后，由于內部應力失去平衡造成零件變形。

3.4 加工參數優化

為提高零件加工質量、減少零件變形，半精車、精車工序的數控加工采用自動循環分層程序進行加工，固化零件每次走刀的切削深度，在各層的進、退刀位置設置過度區域，保證切削過程中零件受力平穩，避免由于加工過程中切削深度不均勻變化造成的零件內部切削應力累積，影響最終零件的尺寸及技術條件狀態。

同時，為保證車加工工序的加工質量及加工效率，車加工轉速應給定在30r/min～35r/min，加工進給速度應給定為 0.15mm/r～0.2mm/r，在刀具遠離零件時，均采用大進給速度進行快速移刀。對精密尺寸的數控加工，應在余量較大時采用循環分層方式去除余量，在余量較小時合理運用程序暫停指令及時檢測精密尺寸，在保證精密尺寸公差的同時提高加工、檢測的效率。

4 加工方案實施

在該零件投料生產過程中，為保證切斷后零件的變形量在裝配允許的范圍內，編制臨時工藝規程對研究方案進行加工驗證，并對零件的加工余量進行了額外的調整。在零件外圓止口位置與內槽止口位置增加預留0.4mm余量，在切斷后的最終狀態下進行精車加工，并對半精車工序的數控程序進行優化，采用循環分層走刀加工，減少車加工過程中產生的切削應力。

通過前期對類似零件加工數據的收集，該類型零件在切斷后變形嚴重，零件扭曲變形程度較大，導致零件的平面度及圓度均超出使用要求。結合此經驗，在生產加工時進一步更改加工路線，在零件半精車后進行切斷，零件在1/4半環狀態下加工，提前消除整環零件的內部應力變形。

切斷工序采用組合夾具進行加工，防止零件切斷后內部應力失去平衡，在零件止口位置設定配合面進行定位鎖緊，防止零件切斷后內部應力失去平衡，避免在切斷后整環瞬間出現漲開、收縮、扭曲等現象，控制零件切斷后的變形量。

在切斷后對零件進行精車修整加工，精修配合止口尺寸，并制造專用鋁盤對零件進行定位裝夾，采用精止口定位，減少由于零件剛性不足造成的變形。在對零件切斷后的止口尺寸進行精加工后，對零件最終狀態的配合止口尺寸進行多點測量，四個半環直徑均在合格范圍內，即零件最終加工狀態與裝配要求一致，后續協助裝配部門完成了其組件的裝配工作，并保證了組件的尺寸及技術條件滿足發動機的使用要求。

5 方案驗證結果

對投料零件進行現場加工驗證的跟產，確保實際加工狀態符合技術方案的制定內容。在生產驗證過程中，優化半精車加工、精車加工的數控程序；設計并制造了車加工工序的專用夾具，采用止口定位的裝夾方式；切斷工序采用每1/4半環三處壓緊的方式，整環共計十二處壓板，有效控制了由于切斷引起的零件變形；在切斷后增加精車修整工序，消除切斷引起的零件最終狀態尺寸的變形，零件在1/4半環狀態下精修止口等配合尺寸，保證了零件在最終裝配狀態各配合尺寸的使用要求；并成功將該零件的生產周期控制在50天以內。

該技術研究表明，零件精密配合尺寸全部合格，滿足裝配使用要求，最終加工結果如下：1）止口尺寸。止口直徑配合尺寸均合格； 2）切斷變形。保證裝夾穩定性，減少切斷后零件變形量； 3）加工經驗。薄壁變形零件加工必須采用止口定位的方式進行裝夾； 4）成果分享。為該類型環段類零件的后續研制加工提供成熟的加工經驗。

6 結論

該文對某環段類零件精密加工尺寸變形量控制進行了研究，使該環段類零件合格交付并裝配使用，為后續該類型零件的研制生產奠定了基礎，并總結該類型環段類零件的加工經驗如下：1）部、組件中，應了解各單件配合尺寸在裝配組件中的作用及各配合尺寸之間的相互關系，進而確定有效的工藝加工方案，保證加工、測量、裝配的一致性，降低零件的加工、裝配難度；2）薄壁易變形的零件在加工時必須采用止口進行定位；3）零件切斷后必然存在變形，為消除零件的切斷變形，應在切斷后采用精修工序進行補充加工，保證最終狀態的零件尺寸符合其裝配使用要求；4）零件的切斷工序務必保證其壓緊方式安全可靠，避免切斷瞬間的應力釋放造成的零件整體翹曲變形。