加工制造业环形薄壁件的加工分析

刘媛媛

现代制造企业加工水平逐年提升，为了更好的满足企业加工需求，提高企业核心竞争力，优化企业加工制造水平，对于常见的航空发动机产业关键零部件之一的环形薄壁件进行了加工分析及优化。该类环形薄壁件的特点是壁薄，最小厚度厚仅0.8mm，零件外形尺寸大有φ450.1mm，形位公差要求高，材料是高温镍基合金，硬度相对较高，韧性好，加工形变难以控制,尤其安装边与幅板的平行度0.015mm极难保证，因此平行度的保证是此类大型薄壁环形类零件在数控车床加工的关键技术，同样适用于其它类似的薄壁类零件的加工。如何控制好加工形变直接影响到零件的平行度。在实际的加工中，我通过改进装夹方式，对加工过程进行控制、摸索和确立，刀具选择和加工路线的优化等各方面的改进改善，使这个加工的技术难点获得突破性的进展。下文就这一论点做详细的论述。

首先分析影响压气机罩平行度的因素主要有以下几点：

1：装夹方式及压紧力的调整

2：加工变形

3：程序编制和采用的切削参数不适用

4：工艺及加工路线的不合理

压气机罩零件图

这些因素使图二中的第9、22项技术要求经常无法保证，难以达到所需的工艺要求，质量不稳定，零件加工合格率低，超差较多甚至出现废品而且效率低。针对这些因素我从合理选用刀具，刀片，精确分配加工余量，优化切削参数和加工程序，调整加工路线，改进加工工艺等方面入手，不断地试制摸索和改进、改善，确定了最佳的加工工艺，使压气机罩加工形变得到了控制，有效的保证了安装边与幅板的平行度。

一、 改进装夹方式、准确调整压紧力

薄壁零件的装夹方式多采用轴向压紧方式，避免采用径向夹紧，

改进前的装夹方式由于零件外形特殊必须用两套夹具分两道工序进行加工，通常薄壁件粗加工后，精加工前要将零件松开，使其充分变形，消除部分内应力，然后以较小的压紧力压紧零件进行精加工，这样就可以消除应力变形。但压紧力的大小很难调整得一致和均匀，调整不好反而加大变形，利用以前的钳工基础大胆采用钳工常用的，能将压紧力控制在一个统一的压力值的扭矩力扳手，加装自制的适合螺钉大小的转接头将21个螺钉对称压紧，有效的将压紧力的大小控制一致对称均匀。

二、正确选用加工刀具、有效的控制加工变形

一般加工变形主要有：切削力变形，切削热变形，振动变形以及内应力变形这些方面，而这些因素都与加工零件的刀具有直接的关系，通常刀具的前角、主偏角相对增大时，切削力会显著下降，产生切削温度相对低，从而切削力变形和切削热变形会相应减小；而刀尖圆弧半径增大时，切削力会相应增大切削变形也会增大，但同时刀尖圆弧半径大又改善了刀尖处的散热降低了刀尖处的切削温度，减少了切削热的产生，使切削热变形减小。因此刀具，刀片的合理选用能够地减小切削力和降低切削热的产生从而有效地改善零件的加工形变。原先按常规为了减小切削力采用的CNMG120404HA-PC9030刀尖圆弧R0.4的35°刀进行加工，但由于刀尖圆弧小刀尖磨损快，幅板A面加工面又长容易产生挤压应力和热应力，而且断续切削容易崩刀尖产生挤压应力使加工面变形较大。用CNMG120408MS-KC5010刀尖圆弧 R0.8的80°刀代替原先的CNMG120404HA-PC9030刀尖圆弧R0.4的35°刀进行加工，解决和降低了由于刀尖圆弧小刀尖易磨损，断续切削时刀尖强度不够易崩刀尖而产生的挤压应力，以及刀尖圆弧小散热不好产生的切削热应力的问题。由于刀具主要进行径向走刀切削，两种刀具主偏角在安装时的大小是一样的：切削力不会明显增大，同时该刀片的前角比原先刀片的前角大既缓解了由于刀尖圆弧加大造成的切削应力加大的问题又解决了材料韧性好难切入的问题，又一定程度上降低了切削应力的产生，有效的缓解了零件加工形变，另外这种刀片断屑槽的几何角度又能使切屑成螺卷长条带状排出，不排向所加工的端面，不会造成切屑挤压刮伤喷涂层使轮廓度超差，同时带走了部分切削所产生的切削热降低了热应力变形。此外该零件在φ415.392mm处有一处45°端面槽，原来加工采用的4mm宽的45°端面切刀，很容易将 C面挤压变形,将刀宽改为2.5mm，降低了切削力的产生和切削变形的产生。刀具、刀片的正确选用有效的控制了加工变形，行之有效的降低了A面与C面的平行度误差。

三、优化程序、精确调整切削参数

虽然刀具、刀片的正确选用一定程度上控制了加工形变，但由于程序编制的不合理，切削参数的不精确，切削加工变形还是没有完全解决。最初由于A面是基准，为了容易保证图二中第17,18项长度尺寸，程序编制的加工顺序是：A面——C面——槽，且切槽方式是直切法，不但切削力大零件变形大，而且切槽放在最后加工会使已加工好的A面、C面产生二次变形，与工艺沟通将程序编制的加工顺序调整为槽——A面——C面，避免了A、C面的二次变形，同时将槽刀加工方式改编成左右分层切削，大大减小了切槽刀的径向切削力，使A、C面得平行度得到了有效控制。在编加工平面型面较长的面的加工程序时，通常采用G96，G50恒定线速度，但由于零件外形特殊如图四所示，孔壁上有喷涂层，为了保证零件的轮廓度必须与A面在一次走刀加工完，A面壁薄幅板又长，还有断续切削，转速不能太高，同时要保证喷涂层的粗糙度又不能转速太低，因此不能采用恒定线速度，只能分段控制转速，经过摸索车喷涂层用40转/分，喷涂层粗糙度能达到工艺要求，通过线速度公式计算(∏xDxN/1000)发现加工程序的转速40转/分在零件直径φ450.1mm时计算出线速度高达57m/分，会产生较大的切削力变形，通过计算和调整，结合刀片的转速振动区间将A面加工转速确定为20转/分，同样将C面加工转速定在了16转/分，这样既保证了加工时零件不产生振动变形又减小了由于零件直径大造成度大而产生的切削应力，从而减小了加工变形。但仅仅将转速调整合适并不能将A面的加工变形完全控制住。结合将程序中其他切削参数综合调整找到合理的切削参数才能有效的控制A面形变。通过优化程序， 精确调整切削参数达到了保证平行度的目的。

四、合理调整工艺及加工路线

正确选择工艺加工路线就能减少和避免加工形变的产生。工艺和加工路线的不合理同样会产生工艺形变，对平行度的保证极为不利。原来的加工工艺路线是：磨工——数车（加工A面）——数车（加工C面，D面）——数铣（加工21凸台和安装孔）…

调整后的加工路线：磨工——数铣（加工21凸台和安装孔）——数车（加工A面C面）———磨工（加工D面）

这样调整是为了满足前文中装夹方式的改进对工艺路线的调整，另外原来的工艺是这在道数车工序同时加工好所示安装边的D面和C面，对于这种两面同时加工的薄壁零件加工的方法通常采用小余量，快速，反复加工。这样C面的变形和变形方向难以控制，会直接影响到平行度的保证，为了解决这一矛盾我又进一步改进工艺和加工路线，本数车工序将D面留出0.1mm余量，在本工序之后增加一道圆台磨工序将D面磨到尺寸，由于磨削余量少对零件的形变影响不大，同时又有效的消除了加工D面时对C面的加工形变。

在A面21个安装孔处先进行了去余量加工，大大降低了精加工A面安装孔的加工余量,降低和缓解了安装孔处断续切削造成的振动变形和切削力变形。合理调整工艺及加工路线消除了工艺变形，确保了A面与C面的平行度。

参考文献

（1）机械制造技术［M］，北京：高等教育出版社，20011.

（1）航空制造技术， 航空制造技术杂志社