盤心引氣套加工新方法一文了解

盤心引氣套是筆者單位新研制的某航空發(fā)動機零部件，屬于薄壁環(huán)形件，其典型特點是壁薄，尺寸精度及幾何公差要求高，加工時需要控制零件的整體變形量，確保零件符合設計圖的總體要求。此文是根據(jù)筆者在科研試制過程中，通過對該零件裝夾方式、刀具形式、走刀路線及加工參數(shù)等的不斷摸索、不斷嘗試所總結(jié)出的此類零件的一種加工方法。1零件簡介零件如圖1所示，其材料為GH4169高溫合金，熱處理狀態(tài)為固溶時效。零件總長210mm，其左端槽為整個零件的設計基準，軸向尺寸最嚴公差為0.05mm，徑向尺寸最嚴公差為0.04mm，零件最小壁厚2mm，且壁厚均勻度要求≤0.05mm，同時薄壁處內(nèi)孔、外圓均要求對基準A、B的跳動≤0.05mm。a）b）圖1零件2工藝難點分析（1）基準槽加工困難

端槽是整個零件的基準，大部分軸向尺寸都與基準A相關(guān)；基準B公差只有0.04mm，需要使用槽刀加工，尺寸難以保證。同時，要保證零件跳動≤0.05mm，基準A的平面度以及基準B圓度控制在一個很好的范圍內(nèi)，這一點也很難控制。（2）端槽內(nèi)外環(huán)槽難加工

從圖1可以看出，需要在寬度4mm的端槽下端加工出一個直徑2.5mm的環(huán)槽，環(huán)槽中心到基準A的公差為±0.05mm。加工時所用刀具的結(jié)構(gòu)既要保證其不與零件干涉，也要確保其具有足夠的剛性來切削，這對刀具設計提出了很高的要求。（3）外圓內(nèi)孔跳動難保證

跳動是一個綜合評價指標，同時包含了被測要素自身的形狀誤差及被測要素與基準的位置誤差，在加工中往往很難保證。本文所涉及的零件要求外圓、內(nèi)孔對基準A、B的跳動≤0.05mm，也就是同時要控制外圓、內(nèi)孔自身的圓度、與基準A的垂直度及與基準B的同軸度，這在薄壁長零件的加工中很難控制。（4）壁厚均勻性難保證

從圖1可以看出，零件壁厚2mm，壁厚的均勻性要控制在0.05mm以內(nèi)，而薄壁零件在加工時往往會出現(xiàn)由于系統(tǒng)剛性不足而產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象，導致壁厚難以保證，壁厚的均勻性更難以控制。3解決途徑及效果由上述的分析可以看出，零件加工時主要問題集中在基準加工、刀具設計及減小零件變形這幾個方面。根據(jù)本文所述零件的具體結(jié)構(gòu)結(jié)合本單位的設備情況，通過嘗試，我們選擇了如下的解決方案。（1）合理裝夾抑制零件變形

這部分通過下面4個方面實現(xiàn)。

1）加工順序的安排。粗車時由于零件壁較厚，采取粗車大端→粗車小端的路線，均采用軟爪裝夾，考慮到工序間熱處理的因素，粗車給精車單邊留余量2mm。精車時由于最終壁厚為2mm，在加工順序的安排上采取精修大端→精車小端→精車大端的工藝路線。

2）精修基準的裝夾。如圖2所示，精修大端時由于零件壁厚內(nèi)外各有2mm余量，壁厚較厚，因此采用長軟爪來裝夾零件，加工后在自由狀態(tài)下零件圓度為0.01mm，達到了后續(xù)工序裝夾的要求。圖2

修基準3）精車小端的裝夾。精車小端是該零件精加工時的一道關(guān)鍵工序，本工序需要嚴格控制被加工內(nèi)孔及外圓自身的圓柱度及相互的同軸度，只有這樣才能保證最終驗收時內(nèi)孔、外圓對基準A、B的跳動≤0.05mm，確保壁厚的均勻性≤0.05mm。同時，如何減小或消除整個切削系統(tǒng)的振動，保證表面質(zhì)量也是該工序的關(guān)鍵。

裝夾方式上，本工序依然采用軟爪進行裝夾，車內(nèi)、外孔時分別采用不同輔助方式來減小零件變形及振動。在加工時按如下的步驟進行：粗車內(nèi)孔→精車內(nèi)孔→粗車外圓→精車外圓→精修內(nèi)孔。車內(nèi)孔，零件總長210mm，車內(nèi)孔時零件及刀具懸伸都比較長，導致整體剛性差，切削時極易出現(xiàn)振動及讓刀現(xiàn)象。針對這個狀況，選擇直徑為40mm（機床所能安裝的最大直徑的鏜孔刀）的鏜孔刀，同時采取傳統(tǒng)的在零件表面纏繞橡膠皮(或自行車內(nèi)胎)的方法，這是一個難度小、成本低但效果極好的方法。需要說明的是，在纏繞橡膠皮時注意如下幾點：首先要控制纏繞時橡膠皮的張力，過大的張力反而會導致零件變形，但張力過小又起不到減振及抑制變形的作用；其次，在纏繞橡膠皮時要均勻覆蓋整個零件，避免因覆蓋不均勻而導致的零件局部變形，或者導致零件內(nèi)孔呈波浪狀，無法保證尺寸及幾何公差；最后，從安全的角度出發(fā)，在纏繞橡膠皮時要注意旋向及膠皮末端的位置，避免膠皮因零件高速旋轉(zhuǎn)而松動，或膠皮末端纏繞切屑而出現(xiàn)質(zhì)量或安全事故。

車外圓時先要去掉纏繞的橡膠皮，換用中心蓋板輔助支撐，用機床尾頂尖頂住中心蓋板，如圖3所示。這里有兩點需要說明：①中心蓋板與零件內(nèi)孔的間隙控制在0.005～0.015mm，不宜過大，否則后期的跳動很難保證。②由于是薄壁零件，尾座的壓力不宜過大，這一點可以通過在零件上壓百分表逐步調(diào)整。

圖3

車小端4）精車大端的裝夾。精車大端時零件夾持部位厚度只有2mm，在外力的作用下很容易產(chǎn)生變形，導致零件松動或者是尺寸、幾何公差等超差。因此在確保零件可靠裝夾的同時，如何抑制裝夾變形是本工序的重點。根據(jù)上述分析，設計了如圖4所示的專用夾具進行零件的裝夾。夾具由轉(zhuǎn)接盤、支柱、頂塊、定位環(huán)及螺釘?shù)葞撞糠纸M成。加工時將零件安裝在夾具的定位環(huán)上，擰緊4個緊固螺釘推動頂塊與零件外圓緊密貼合，起到緊固零件的作用。為使零件裝卸方便，同時兼顧定位的可靠性，零件與夾具定位環(huán)為間隙配合，但間隙不應＞0.02mm。為了避免零件壓傷，采用銅質(zhì)的頂塊，頂塊一端呈圓弧形，與零件外圓緊密貼合。這種夾具在使零件可靠定位的同時，很好地解決了薄壁零件易受外力變形的情況，滿足了加工該零件的需要。本工序進行完后，在自由狀態(tài)下基準A平面度≤0.005mm，基準B圓度≤0.01mm。圖4

車大端夾具1—定位環(huán)

2—頂塊

3—支柱

4—轉(zhuǎn)接盤

5—緊固螺釘6—連接螺釘（2）合理選擇刀具及規(guī)劃走刀路線

該零件在加工時另一個難點就是大端環(huán)槽，如圖1所示大端槽寬4mm，內(nèi)孔一側(cè)公差為0.04mm。同時，在端槽內(nèi)部要加工出寬度為2.5mm的環(huán)槽，環(huán)槽中心距基準（4±0.05）mm。這種空間狹小的窄形槽在加工時無論對刀具設計還是程序規(guī)劃都提出了嚴格的要求。1）刀具設計。端面形槽的特點決定了刀具刀頭部位總寬不能＞4mm，否則會與端槽內(nèi)壁產(chǎn)生干涉；刀具切削刃的懸伸長度不能＜1.35mm，否則無法保證環(huán)槽的深度。因此在設計時既要保證刀具的整體剛性，也要滿足切削時環(huán)槽的尺寸要求。

如圖5所示是最終加工零件時的刀片示意圖，該刀片有如下特點：①采用了整體硬質(zhì)合金機夾刀片的形式。②根據(jù)零件的具體形狀，將刀頭設計成43°，解決了刀頭總寬度不能＞4mm的限制，同時有利于排屑，避免了切削時由于夾屑導致斷刀。③切削刃圓角為1mm，在保證刀片強度的同時降低切削力。

圖5

刀具示意2）程序規(guī)劃。刀具在狹窄的區(qū)域內(nèi)運動，需要合理規(guī)劃刀具路徑，并通過模擬、仿真的方式進行驗證，否則在切削過程很容易出現(xiàn)過切、碰撞等問題。當加工刀具為圓頭刀時，應該使用刀具圓心為參考點規(guī)劃刀具路線，這樣規(guī)劃出的刀路整齊并易于檢查。

如圖6所示是加工環(huán)槽的刀具路線，采用往復式切削，進退刀時均以P點為圓心滾動刀具，這樣可以保證刀具在最小的空間內(nèi)運動，從而避免切削時過切、碰撞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖6

刀具路線（3）加工參數(shù)的選擇

表1列舉了精加工內(nèi)外圓及大端環(huán)槽時的切削參數(shù)，加工時使用的機床為臺灣產(chǎn)NEX-110數(shù)控車床。由于不同的機床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)剛性不同，在加工中切削參數(shù)也會存在著差異，因此在實際加工中要根據(jù)車間設備的狀況進行調(diào)整。

針對表1中的參數(shù)，有以下幾點需要說明：①精車內(nèi)孔的切削速度是更換全新刀片后的參數(shù)。車內(nèi)孔時刀具伸長量較長，整個切削系統(tǒng)的剛性都比較差，當同一片刀片進行反復切削時會出現(xiàn)嚴重的讓刀及振動，這種讓刀及振動會加劇刀片的磨損，從而使切削狀態(tài)變得更差。經(jīng)過加工試驗，新刀片加工后內(nèi)孔前后直徑差在0.02mm左右，當?shù)毒哌M行第二次切削時內(nèi)孔前后直徑差在0.10～0.18mm左右，無法滿足加工要求。②車環(huán)槽時刀具剛性差、排屑空間小，因此選擇了較為保守的切削參數(shù)，這樣可以避免切削抗力過大或者夾切屑導致的刀具斷裂。表1

加工參數(shù)表4改進效果該零件加工后所有特性均合格，在自由狀態(tài)下，基準B的尺寸在φ152.02～φ152.04mm；外圓內(nèi)孔對A、B基準的跳動最大值為0.0452mm，壁厚在2.07～2.09mm之間；198.7mm尺寸為198.68～198.70mm；環(huán)槽中心距基準A尺寸（4±0.05）mm實際在3.98～4.01mm之間，主要特性均