放氣支板加工技術研究

高 克，王 浩，王郡良，高永峰

（沈陽黎明航空零部件制造有限公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

航空發動機因其工業技術要求之高而被譽為“皇冠上的明珠”。航空發動機是由多種類型零部件組成，可以在高溫、高壓、高轉速和不斷變換工作狀態的惡劣環境中工作的高度復雜和精密的熱力機械。追求更輕量化、更大推力、更高可靠性、更長壽命、更低油耗、更低成本是提升航空發動機性能的永恒主題，這也促使發動機結構越來越集成、設計越來越復雜［1］?，F代航空發動機設計采用了許多新技術、新材料、新結構來滿足苛刻的性能要求，高溫和承力結構件多采用整體結構，零件結構復雜、加工精度高，表面粗糙度及表面質量要求高［2］。這就要求在這些零件的加工過程中，必須要利用一些先進的設備和技術方法才能滿足它們的加工要求。此外，對于一些傳統的加工設備和方法，不是說它們從此就無用武之地，我們需要打破傳統思維，開拓創新，使它們更具活力，同樣可以在未來新零件的加工中發光發熱。這里提到的放氣支板零件，就屬于一種新結構的零件。在該零件改進后的加工過程中，既有用到五坐標加工中心、可變軸輪廓銑等先進的加工設備和加工方法，也用到了三坐標加工中心、中心鉆等傳統的加工設備和刀具。正是在這種有“新”有“舊”的結合下，不僅完成了放氣支板零件的合格加工，也積累了大量的加工經驗。

2 零件介紹

放氣支板是某型航空發動機燃燒室中的重要零件，固定在燃燒室機匣外壁上，將部分壓縮后的高壓氣體排放到外涵道中，起到調節高壓轉子軸向力的作用。該零件材料為GH4169，材料較硬，使得切削刀具磨損較快，屬于難加工材料［3］。零件結構特殊，如圖1、圖2所示。主要由底部的安裝板部分和上部的柱體部分組成，安裝板部分與柱體部分呈一定角度，安裝板部分為方形結構，上面分布有4處?6.3安裝孔；柱體外表面為曲面，上面分布有60處?2.5小孔，柱體內部為空腔結構，壁厚為2mm。

圖1 放氣支板三維圖Fig.1 Graphic Model of the Vent Strut

圖2 放氣支板二維圖Fig.2 Drawings of the Vent Strut

3 零件加工問題

零件加工工藝路線為：毛料—下料—熱處理—車端面及外圓—車另一端面及外圓—銑上型面—去毛刺—銑內腔—去毛刺—線切割平面—銑型面、鉆孔—鉗工打磨—锪平面、倒角—去毛刺—電脈沖打小孔—標印—清洗—最終檢驗。首次加工后，主要存在以下問題：

（1）安裝板部分與柱體部分呈一定角度，根部轉接圓角為R3，銑上型面時使用?6球頭銑刀進行清根，而柱體部分的最深處有65mm，清根困難，會存在一定的材料殘留，后續只能通過鉗工打磨進行修整，如圖3所示。

圖3 銑上型面示意圖Fig.3 Diagrams of Milling Upper Surface

（2）銑內腔時，腔內轉接圓角為R5，所能采用的刀具直徑為?10，內腔深度最深為67mm，加工時會產生讓刀現象，壁厚尺寸不易保證，如圖4所示。

圖4 銑內腔示意圖Fig.4 Diagrams of Milling Inner Cavity

（3）?2.5小孔采用電脈沖打孔，加工效率低，加工后產生的重熔層難以去除。

4 工藝路線改進

近幾年我公司車銑加工中心、五坐標加工中心等先進設備的引入，為我們的加工提供了更為廣闊的思路。為了解決上述問題，我們首先對工藝路線進行了調整。

調整后的工藝路線為：毛料—下料—熱處理—車端面及外圓—車另一端面及外圓—銑上型面、鉆小孔—去毛刺并拋光—線切割平面—銑型面、鉆孔、銑內腔—去毛刺—锪平面、锪倒角—去毛刺—標印—清洗—最終檢驗。

調整后的工藝路線主要有以下變化：

（1）取消電脈沖打孔，采用鉆小孔，并和上型面合并在五坐標加工中心上加工。這樣做，可以大大縮短零件加工和周轉時間，而且可以應用五坐標加工中心進行清根，不會再殘留多余材料，也省去了鉗工打磨工序，大大降低了勞動強度。

（2）將銑內腔工序和銑型面、鉆孔工序合并在五坐標加工中心上加工，同樣可以提高加工效率。

5 加工方法研究

5.1 上型面清根的工藝難點

改進前，采用三坐標加工中心銑加工上型面，在清理根部圓角R3時，由于加工深度較深，刀具夾持后，露出的部分非常長，而且刀具直徑受限，導致刀具強度有限，所以刀具會產生嚴重的讓刀現象。工藝路線調整后，該工序在五坐標加工中心上加工，考慮利用五軸加工進行清根，可以增大刀具夾持部分的長度，減少刀具露出部分的長度，進而減少刀具的偏折程度，從而更好的保證零件尺寸。編制五軸程序，我公司通常使用UG編程軟件進行編程。

5.1.1 操作類型等選擇

進入加工模塊后，可選用可變輪廓銑操作子類型?？勺冚喞娍梢跃_地控制刀軸和投影矢量，使刀具產生復雜的曲面運動［4］。

銑上型面時，既需要保證斜面尺寸，又要保證外形尺寸，如圖5所示。因此，部件幾何體選擇斜面，驅動方法選擇邊界驅動，如圖6所示。外形作為理論驅動邊界。為方便計算，投影矢量選定部件幾何體斜面的垂直方向，沿著投影矢量方向將驅動邊界投影到斜面上產生刀軌。

圖5 零件上型面外形圖Fig.5 Outline Drawing of Upper Surface of Part

圖6 投影矢量的選擇Fig.6 Selection of Projection Vector

5.1.2 刀軸的控制

在多軸加工中重點也是難點就是對刀軸的控制。刀具的刀軸方向是指刀具的中心O點指向夾持器的矢量方向［5］。在UG中計算的刀具軌跡就是按照O點來計算的，如圖7所示。

圖7 刀軸方向示意圖Fig.7 Diagrams of Tool Axis Direction

在以邊界為驅動方法時，計算機在計算刀位點時，會自動以邊界為最終尺寸向外加一個刀具半徑補償［6］。在三軸加工中驅動邊界的投影矢量往往是與刀軸的方向一致，因此刀具按刀軌走完之后就是零件的最終形狀。但在多軸加工中，投影矢量往往與刀軸的方向是不一致的［7］，如圖8所示。

圖8 刀位點與刀具實際距離的關系Fig.8 Relationship between Cutter Location Points and Tools Actual Distance

驅動邊界在生成刀位點時仍距驅動邊界有一個刀具半徑的距離R，但由于刀軸的方向在變化，刀具實際的切削位置距驅動邊界為X時，并不是一個刀具半徑。而當刀軸與斜面平行時，刀位點距工件距離R可以近似等于刀具距工件的實際距離X。為了方便計算，在銑帶角度的平面時，刀軸方向的選擇應以斜面為基準，刀軸選定與斜面呈45°角，如圖9所示。

圖9 刀軸的選擇Fig.9 Selection of Tool Axis

5.1.3 驅動邊界的確定

原理論驅動邊界即零件外形，按選定投影矢量投影到部件幾何體上時，投影軌跡會隨Z軸的變化而變化，不能保證計算出準確的刀軌。依據零件特點，根部圓角R3的圓心軌跡按投影矢量投影到部件幾何體上時，可生成準確的刀軌。依據刀軸方向，設置邊界偏置，保證刀具與零件外形相切。如圖10～圖12 所示。

圖10 驅動邊界的選定Fig.10 Selection of Driving Boundary

圖11 刀具偏置效果圖Fig.11 Effect Picture of Tool Offset

圖12 零件清根五軸加工走刀軌跡Fig.12 Tool Paths of 5-Axis Machining for Part Cleaning

5.1.4 上型面清根的加工方法

與三軸加工清根方法相比，采用五軸加工清根后，在零件圓角上方仍存有殘留材料，繼續采用多軸輪廓銑加工，部件幾何體選擇零件外形，驅動方法選擇曲面驅動，投影矢量及刀軸的確定與清根加工方法相同。其中曲面驅動的曲面選擇應與斜面平行，以確保走刀軌跡的連續性，如圖13、圖14所示。

圖13 曲面驅動的選定Fig.13 Selection of Surface Drive

圖14 去除零件殘余材料走刀軌跡Fig.14 Tool Paths for Removing Residual Materials of Part

5.2 銑內腔方法研究

5.2.1 銑內腔的工藝難點

在銑內腔工序中，如圖15所示。由于零件材料較硬且內腔較深，最深處有67mm，銑削時會發生讓刀現象，零件的壁厚尺寸2（+0.2/-0.1）不易保證。另外，銑內腔過程類似于盲孔加工，排屑困難。

圖15 銑內腔工藝規程要求簡圖Fig.15 Diagram of Process Plannings for Milling Inner Cavity

5.2.2 銑內腔的加工方法

為了解決讓刀造成的壁厚尺寸不均，以及排屑困難問題，銑加工內腔時采用分層的銑削方式［8］。由于線切割后的上表面為斜面，所以先銑出一個平面，為后續的鉆孔做準備。然后先用?14鉆頭預鉆孔（以20mm為一個單位），然后再從預鉆孔處落刀進行分層銑削。在每層加工中根據讓刀程度的不同，調整刀具補償，保證單邊預留0.1mm 的余量。最后，再使用?12 立銑刀進行精加工，保證最終尺寸。銑內腔加工順序，如圖16所示。

圖16 銑內腔加工順序Fig.16 Machining Sequence of Milling Inner Cavity

該種加工方法可以最大限度的減小銑削過程中，由于讓刀造成的壁厚尺寸不均的現象。也可以在每層切削后及時清理鐵屑，避免鐵屑堵塞零件。

5.3 鉆小孔方法研究

5.3.1 鉆小孔的工藝難點

在將電脈沖打孔改為鉆小孔后，按照常規方法直接采用?2.5鉆頭進行加工時，由于孔徑小且在弧面上加工，位置尺寸不易保證，刀具也極易折斷，造成零件報廢。小孔相關尺寸示意圖，如圖17所示。

圖17 小孔的工藝要求Fig.17 Process Requirements of Pinholes

5.3.2 刀具的選擇

直接鉆孔無法保證加工質量，我們考慮可以先用中心鉆進行預鉆孔，然后再用鉆頭加工到最終尺寸。中心鉆的優勢在于，如圖18所示。刀柄部分的直徑更大，因此具有更好的強度，在加工過程中，不易發生刀具偏折，可以更好保證孔的位置尺寸精度［9］。但它的弊端在于刃長部分較短，不可以加工較深的孔。中心鉆的直徑尺寸不能按照常規情況選擇小于?2.5的直徑，因為孔的位置是在弧面上，?2.5鉆頭切入時仍然會受力不均，導致刀具偏折，如圖19所示。所以這里直接選擇?2.5的中心鉆。

圖18 中心鉆示意圖Fig.18 Diagram of Center Drill

圖19 鉆頭模擬示意圖Fig.19 Diagram of Drill Simulation

5.3.3 鉆小孔的加工方法

在小孔加工中，首先使用?2.5中心鉆預鉆孔，如圖20所示。鉆出一小段直線段L。然后再使用?2.5鉆頭順著鉆好的直線段繼續鉆孔，最終保證工藝規程中的尺寸要求。此種加工方法類似于鉗工鉆孔中的鉆模板。先利用中心鉆強度好的特點預鉆孔，保證小孔的位置尺寸要求［10］。鉆好的小孔類似于鉆模板上的鉆套，鉆頭順著“鉆套”的引導完成小孔加工。

圖20 中心鉆鉆孔示意圖Fig.20 Drilling Diagram of Central Drill

6 總結

通過對放氣支板零件上型面清根問題、深腔加工讓刀問題、斜面小孔加工質量和效率問題等一系列問題的解決，成功攻克了放氣支板零件的加工瓶頸，并縮短了加工周期。同時為今后其他類似結構零件的加工提供了可行性方案。