薄壁壓氣機罩輪廓面車削加工工藝研究

薄壁壓氣機罩輪廓面車削加工工藝研究

【Summary】某型航空發(fā)動機壓氣機部件，屬于大直徑薄壁件，結(jié)構(gòu)剛性差，材料為變形高溫合金，零件表面有斷續(xù)孔和硬質(zhì)涂層。在切削加工過程中，由于零件受切削力作用易產(chǎn)生應(yīng)力變形，導(dǎo)致零件尺寸加工前后產(chǎn)生變化，尺寸精度無法保證，一次加工合格率低，表面質(zhì)量差，以上技術(shù)難點嚴重耽誤生產(chǎn)進度，影響產(chǎn)品的交付。本文主要針對該零件輪廓面處尺寸變形控制的技術(shù)難點進行工藝分析，創(chuàng)新車削工藝方法、夾具設(shè)計優(yōu)化方法，從而提升產(chǎn)品合格率，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，為顧客提供高質(zhì)高效的產(chǎn)品?！綤eys】鎳基高溫合金Inconel625、應(yīng)力變形、面輪廓度、過程失效模式分析FMEA、工藝成熟度評價PRI、力矩1.概述壓氣機罩是航空發(fā)動機的重要組成部分，本文所述壓氣機罩是某機型壓氣機單元的重要零部件之一。零件材料為鎳基高溫合金Inconel625，該材料是以鉬鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能，并且耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕。零件壁厚0.5～3.5mm,壁厚分布不均勻，大部分壁厚在1.5mm以內(nèi)；零件總高110mm,最大直徑Φ451mm,直徑尺寸較大，軸向尺寸較小，即徑長比大；零件形狀結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則狀，安裝邊根部處有圓弧槽，輪廓端面處有一組間斷孔和硬質(zhì)涂層流道面，零件小端呈喇叭狀。綜上所述，零件結(jié)構(gòu)剛性差，導(dǎo)致零件工藝系統(tǒng)剛性較差，機械加工切削性較差。2.存在的主要問題零件為大直徑薄壁件，結(jié)構(gòu)剛性差，材料切削加工性差，零件存在應(yīng)力變形和裝夾變形，輪廓面處尺寸自由狀態(tài)與約束狀態(tài)下測量結(jié)果不一致，輪廓面處的面輪廓度尺寸和基準處的外徑、平行度、平面度尺寸無法加工合格；零件輪廓表面和安裝孔處有振紋，表面粗糙度不符合圖紙要求；零件表面有2處斷續(xù)孔，刀具構(gòu)成斷續(xù)切削，加工過程存在振刀、讓刀現(xiàn)象，易磨損、易發(fā)生崩刃，刀具切深僅為0.3-0.5mm，尺寸返修率高，生產(chǎn)加工效率低。圖1精密尺寸加工示意圖3.原因分析及研究方案的制定3.1過程失效模式分析PFMEA：ProcessFailureModeandEffectsAnalysis簡稱PFMEA，主要用于關(guān)重要素尺寸在制造過程前，引入工藝過程失效模式分析，以達到預(yù)防控制風(fēng)險的目的。本項目研究主要使用該工具，先評估產(chǎn)品制造過程和工藝規(guī)程存在的潛在風(fēng)險項，然后評價潛在風(fēng)險項對顧客交付和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并找出潛在風(fēng)險項的過程控制變量，再編制風(fēng)險重要程度表，優(yōu)先控制嚴重的潛在風(fēng)險項，最后跟蹤并更新預(yù)防和糾正措施的實施。通過分析，導(dǎo)致零件輪廓面精密尺寸超差率高的風(fēng)險項主要是以下三方面：①工件工藝系統(tǒng)剛性差，刀具加工至斷續(xù)孔區(qū)域時頻繁出現(xiàn)振刀、讓刀、崩刃現(xiàn)象；②刀具加工硬質(zhì)涂層時產(chǎn)生過大的切削力；③原車削工藝方法無法控制和減小零件切削變形。3.2工藝成熟度評價PRI：工藝過程穩(wěn)固性研究ProcessRobustnessIndex簡稱工藝成熟度評價PRI，是一種分析工藝準備情況的工具，主要用于評價供應(yīng)商產(chǎn)品工藝過程的穩(wěn)定性、工藝的完善性，并對每個過程進行量化，找出工藝準備過程的問題并制定糾正措施，進行跟蹤歸零，最終使工藝過程滿足制造過程的零缺陷。本項目研究主要從工藝控制方法、工具準備、量具準備、設(shè)備TPM、關(guān)重要素控制、供應(yīng)商控制、產(chǎn)能分析、外來物損傷方面對該零件工藝文件及過程實現(xiàn)條件的完備程度開展量化評價，促進生產(chǎn)及工藝過程持續(xù)改進，從而實現(xiàn)提升工藝過程的穩(wěn)定性及持續(xù)制造交付的批產(chǎn)能力。通過量化評價，該產(chǎn)品工藝成熟度總分值75分，未達到小批生產(chǎn)工藝完備度分值大于80分的要求，主要影響因素為工藝規(guī)程不完善、夾具設(shè)計不合理、關(guān)重要素尺寸控制工藝方法欠合理。3.3研究方案的制定：結(jié)合工藝過程失效模式分析和工藝成熟度評價的數(shù)據(jù)，運用因果關(guān)系魚刺圖從人、機、料、法、環(huán)、測查找問題根源，經(jīng)分析得出，該零件尺寸合格率的根本原因為零件結(jié)構(gòu)剛性不足、工藝加工方法不合理、夾具剛性不足、切削變形引起尺寸前后變化。需要從以下兩個方面進行研究：①數(shù)控車削加工工藝方法研究：調(diào)整工藝路線，尺寸工序集中；將定位、測量、編程基準統(tǒng)一；選擇剛性較強、精度較高的基準面作為定位基準。②夾具設(shè)計優(yōu)化研究：研究夾具設(shè)計方法，申請制造專用夾具，組織夾具試加工驗證。4.研究方案的實施4.1數(shù)控車削加工工藝方法研究4.1.1尺寸工序集中。由于零件工藝系統(tǒng)剛性差，加工過程中易產(chǎn)生應(yīng)力變形和裝夾變形，會導(dǎo)致尺寸加工前后產(chǎn)生變化，不易采取粗車輪廓面+精磨安裝邊基準面+精車輪廓面+精磨基準面的傳統(tǒng)加工方式。為了有效控制和減小工序累積誤差，將高精度尺寸集中在一道工序通過一次裝夾來完成加工，故采用粗車輪廓面+精加工基準面及輪廓的加工方式，將基準端面、基準外圓、安裝邊外圓、端面、圓弧槽、輪廓面尺寸安排在一道工序加工完成，消除因多道工序加工帶來的反復(fù)裝夾誤差，保證尺寸精度。4.1.2將零件定位基準、尺寸測量基準、數(shù)控程序編程基準保持一致，消除夾具裝夾誤差、尺寸測量誤差、程序?qū)Φ墩`差帶來的不利影響。精車工序選前一道工序精磨工序加工面作為基準面，要求加工前對該端面進行著色檢查，著色面積不少于80%，且沿圓周不間斷。4.1.3選擇結(jié)構(gòu)剛性較強、尺寸精度較高的端面作為定位基準，消除因零件裝夾變形、刀具切削力作用而導(dǎo)致尺寸加工前后產(chǎn)生變化的質(zhì)量風(fēng)險。選取精磨工序加工面作為支靠面，該端面處于零件中段，尺寸精度較高，零件厚實且圓周分布均勻，結(jié)構(gòu)剛性較好，同時該端面處有21處沉頭孔，將此孔作為零件安裝孔，使用沉頭螺釘貫穿沉頭孔，擰緊沉頭螺釘固定零件。4.2數(shù)控車削夾具設(shè)計優(yōu)化研究4.2.1數(shù)車夾具的設(shè)計方法：原采取粗車輪廓面+精磨安裝邊基準面+精車輪廓面+精磨基準面的工藝路線，此方法無法有效控制和避免零件變形，無法保證基準端面、基準外圓、安裝邊端面的形狀位置公差滿足設(shè)計要求，故調(diào)整工藝加工方法后，需要重新研制夾具，夾具分為安裝板和底座；底座一端與法蘭盤連接固定，另一端與安裝板通過3處均布的銷釘定位，并通過6處均布的螺桿連接固定；加工前先將安裝板安裝在底座上，檢查安裝板支靠面跳動不大于0.005，如不合格，則卸下夾具，精修法蘭盤安裝面；選用21支沉頭螺釘貫穿零件輪廓端面處沉頭孔，然后使用力矩扳手擰緊沉頭螺釘將零件固定在安裝板上。4.2.2力矩參數(shù)的確定力矩在物理學(xué)上是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點轉(zhuǎn)動的趨向，力矩等于徑向矢量與作用力的叉積，力矩的單位是牛頓×米，本產(chǎn)品引入力矩的概念，采用力矩扳手擰緊21支沉頭螺釘將零件固定在安裝板上的方法，目的是保證沉頭螺釘施加給零件的壓緊力大小相等、圓周均布，最大限度的減小或避免零件產(chǎn)生裝夾變形。用力矩扳手擰緊螺釘時，作用于扳手上的力F使扳手繞孔中心點O轉(zhuǎn)動，手用的力F越大，螺釘擰得越緊，這就說明使扳手繞支點O的轉(zhuǎn)動效應(yīng)不僅與力F的大小成正比，而且與支點O到作用線的垂直距離r（稱力臂）也成正比。力F對矩心O點的距簡稱力矩，用M(F)表示，其大小等于力F的大小與力臂r的乘積，即：M(F)=F×r。根據(jù)以上力矩公式，首先選取固定力臂值的力矩扳手，其次選取4件試件（1#-4#）進行力矩試驗，并記錄零件自由狀態(tài)下基準端面A的平面度值，以此判斷力矩對零件裝夾變形的影響。通過開展多次力矩試驗，結(jié)合基準面A平面度試驗前后測量值(單位mm)進行數(shù)據(jù)對比分析得出，適用力矩為1.1～1.2?！っ?，因4#零件經(jīng)過程序試加工驗證，零件尺寸檢測合格，故力矩最終確定為1.2牛·米。5.結(jié)束語通過開展車削工藝方法、夾具設(shè)計優(yōu)化研究，該產(chǎn)品的技術(shù)難題得以攻破，通過對三批次20件零件實測值記錄的統(tǒng)計，計算出零件過程能力指數(shù)CPK=1.35＞1.33，證明過程能力充分，尺寸加工質(zhì)量穩(wěn)定且接近中差，滿足設(shè)計圖紙要求，工序尺寸一次加工合格率100%，加工效率提高100%，生產(chǎn)周期縮短15天。對機械加工而言，本文所論述的問題只是其中很微小的一部分，但很具有針對性，對類似鎳基合金材料的薄壁環(huán)形件的加工具有一定的參考意義，希望所有做