蘭 霞 林建軍 操 金 梁小龍 涂樂(lè)鋒

（北京航空材料研究院，北京 100095）

高溫合金是航空航天、核電工業(yè)等領(lǐng)域的重要金屬材料之一，屬于難加工材料，其硬度高、塑性大、導(dǎo)熱性差，加工時(shí)易產(chǎn)生很多問(wèn)題，如切削力大、刀具極易磨損、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、切削精度較低等。刀具磨損、破損、切削顫振等問(wèn)題易引起表面質(zhì)量缺陷，使得切削后尺寸的一致性和穩(wěn)定性差，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率[1-2]。

高溫合金類(lèi)薄壁零件極易受裝夾力、切削力、殘余應(yīng)力及切削熱等因素影響而發(fā)生變形，變形后的零件難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致最終需要反復(fù)加工和返修，從而使加工效率較低且難以保證加工精度[3-4]。

1 零件結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)分析

本文所研究的工件為北京航空材料研究院（以下簡(jiǎn)稱本單位）目前正在生產(chǎn)的渦輪導(dǎo)向器，是地面燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的重要零部件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

該零件毛坯為IN713LC材質(zhì)的高溫合金精鑄件，零件總高155 mm，6個(gè)鑄件定位基準(zhǔn)點(diǎn)明確。圖1中葉片區(qū)域右端壁厚1.74～3.20 mm，高約45 mm，葉片區(qū)域左端高約100 mm，最大處外徑為Φ206 mm（精度要求0.03 mm），中間段壁厚僅3.20 mm。該零件屬于典型的薄壁件，主要難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)鑄件基準(zhǔn)向機(jī)加基準(zhǔn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，需克服薄壁件加工易變形的問(wèn)題，以保證尺寸加工精度。

2 工裝設(shè)計(jì)

毛坯鑄件基準(zhǔn)由具有相對(duì)位置的1個(gè)角向基準(zhǔn)點(diǎn)、3個(gè)徑向基準(zhǔn)點(diǎn)及3個(gè)端面基準(zhǔn)點(diǎn)組成。為保證鑄件基準(zhǔn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為機(jī)加基準(zhǔn)，工裝設(shè)計(jì)時(shí)需采用鑄件基準(zhǔn)點(diǎn)為定位基準(zhǔn)，做到鑄件、機(jī)加及檢驗(yàn)所用基準(zhǔn)一致。另外，工裝設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮裝夾剛性、重復(fù)定位等問(wèn)題。本單位設(shè)計(jì)用于加工上述薄壁件工裝時(shí)，采用自定心三爪找正3個(gè)鑄件的外圓基準(zhǔn)點(diǎn)，并由3個(gè)主定位塊進(jìn)行端面定位，各定位面面積通常設(shè)計(jì)為2～30 mm2。為提高工件裝夾剛性，增設(shè)了3個(gè)可調(diào)整高度的輔助支撐塊，且輔助支撐塊與定位塊通過(guò)錐形凹槽進(jìn)行徑向定位，以確保工裝的重復(fù)定位性。同時(shí)，為便于安裝和加工，其壓緊用的壓板設(shè)置在定位塊和輔助支撐塊兩側(cè)，且與定位塊、輔助支撐塊圍繞成一整圈，軸向壓緊工件。

3 加工設(shè)備及刀具選擇

3.1 加工設(shè)備選擇

對(duì)于回轉(zhuǎn)體零件，其表面以數(shù)控車(chē)削加工為主。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，車(chē)銑復(fù)合加工方式也常用于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)零件加工。結(jié)合工件及其基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換工裝的特點(diǎn)，本單位選用數(shù)控立式車(chē)削中心完成工件的全尺寸加工，設(shè)備型號(hào)為KV500ATC+C。加工過(guò)程中，通過(guò)一次裝夾完成大部分內(nèi)外表面及19個(gè)分度孔的加工，工序集中程度高，可有效避免二次裝夾帶來(lái)的找正誤差，同時(shí)縮短生產(chǎn)周期。

3.2 刀具選擇

高溫合金屬于難加工材料，其切削抗力大、切削溫度高，且對(duì)刀具強(qiáng)度及耐磨性的要求極高。本次研究中使用了Safety及山高兩個(gè)廠家的高溫合金專(zhuān)用切削刀片切削本文所述的渦輪導(dǎo)向器。相比而言，Safety的刀片在保證尺寸方面較為突出，可切削時(shí)長(zhǎng)大于30 min，加工后的尺寸實(shí)測(cè)值與要求加工尺寸差異小于等于0.03 mm，即尺寸精度保證性好，且加工表面的粗糙度可達(dá)Ra0.4 mm。另外，該刀片的刀尖磨損量很小，主要因?yàn)檫x用的Safety刀片涂層耐磨性能優(yōu)異，切削過(guò)程中始終能保持鋒利狀態(tài)。然而，使用Safety刀具切削渦輪導(dǎo)向器內(nèi)部薄壁區(qū)域時(shí)，因其切削抗力大，在壁薄處會(huì)形成非常明顯的顫紋，如 圖2所示。使用山高的高溫合金專(zhuān)用刀片切削同一部位時(shí)，雖然加工后的表面粗糙度相比使用Safety刀片加工的表面（無(wú)顫紋區(qū)）略差，且刀具磨損量也略大，但加工表面未出現(xiàn)顫紋，主要原因?yàn)榈镀湍バ缘停恕坝才鲇病睅?lái)的影響。

4 工藝路線

根據(jù)本單位承擔(dān)渦輪導(dǎo)向器的生產(chǎn)路線及前期進(jìn)行的機(jī)加工工藝摸索經(jīng)驗(yàn)，得出機(jī)加工工藝路線如 圖3所示。

在如圖3所示的加工工藝路線中，半精車(chē)法蘭端、精車(chē)法蘭端及打孔工序?yàn)橐淮窝b夾完成，其中，打孔工序包括鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔及正反面倒角等內(nèi)容。各機(jī)加表面在粗車(chē)、半精車(chē)、精車(chē)工序中均進(jìn)行了切削，且內(nèi)外表面交替進(jìn)行加工，其加工順序是先加工端面基準(zhǔn)，再加工尺寸公差大的部位，最后加工尺寸公差最為嚴(yán)格且最易受變形影響的精加工部位。粗車(chē)后加工余量一般為0.5～1.0 mm，半精車(chē)后加工余量一般為0.1～0.2 mm。

5 加工變形及其控制方式

薄壁零件機(jī)加后的變形量主要受毛坯、加工工藝及裝夾方式等因素影響。為分析不同毛坯狀態(tài)對(duì)工件變形的影響，本文采用上述設(shè)備、工裝分別對(duì)未涂層的毛坯件和涂層后的毛坯件進(jìn)行試加工，并使用Safety刀片進(jìn)行粗、精加工，其中精加工時(shí)背吃刀量為0.1～0.3 mm，切削速度為25 m·s-1，進(jìn)給量為 0.1 mm·r-1，工件軸向壓緊且壓板的壓力為20 N。

因?yàn)棣?06 mm處外圓的直徑最易受工件整體變形影響，且精度要求高，所以其尺寸最難保證。為方便記錄測(cè)量，本文以千分尺監(jiān)測(cè)精車(chē)后法蘭外徑處Φ206 mm的最大值和最小值，以其最大最小值的差值了解工件的變形量。經(jīng)測(cè)量，未涂層毛坯件和涂層后的毛坯件在加工后立即測(cè)量時(shí)的Φ206 mm尺寸最大最小值差小于等于0.005 mm，但從工裝上取下后Φ206 mm處的尺寸最大最小值差發(fā)生了變化，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，Φ206 mm處的最大最小值差異會(huì)隨之增加，直至5天后工件基本不再變形。最終最大最小差值如表1所示。由表1可知，涂層后的毛坯件加工后的工件變形量明顯減小，這是由于涂層處理過(guò)程中對(duì)毛坯進(jìn)行了去應(yīng)力退火處理，從而去除了鑄造內(nèi)應(yīng)力，有效減少了工件變形。

表1 不同毛坯狀態(tài)對(duì)精加工后工件尺寸的影響情況

為解決變形問(wèn)題，在毛坯件已涂層的基礎(chǔ)上，工件粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火以釋放機(jī)加粗加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。消除應(yīng)力后，使用上述同等切削參數(shù)進(jìn)行精加工，發(fā)現(xiàn)工件仍舊會(huì)產(chǎn)生變形，變形后的Φ206 mm尺寸最大最小值差為0.06～0.08 mm，無(wú)法滿足尺寸為0～0.03 mm的公差要求。

通過(guò)進(jìn)一步分析壓板壓緊力及壓緊方式對(duì)工件變形的影響，對(duì)涂層后的毛坯件進(jìn)行粗加工、去應(yīng)力退火、半精加工及精加工，其中粗加工后單邊留余量0.5 mm。更改半精加工、精加工時(shí)壓板的壓緊力后，Φ206 mm處外圓依舊受工件變形影響而無(wú)法滿足尺寸精度要求。隨后，更改精加工時(shí)工件的壓緊方式，即更換定位塊及輔助支撐塊兩側(cè)壓板壓緊為僅主定位塊上方壓板壓緊，并松開(kāi)抱緊止口端外圓的三爪，以釋放軸向壓緊力及徑向裝夾力，從而減少工件變形，但加工后Φ206 mm尺寸仍無(wú)法滿足尺寸精度要求。最終，松開(kāi)全部壓板，重新抱緊止口端三爪，且法蘭下端使用輔助支撐輕扶加以固定，所加工后的Φ206 mm 尺寸可滿足精度要求。具體變形情況如表2所示。

由表2可知，隨著定位塊及輔助支撐塊兩側(cè)壓板的軸向壓緊力增加，工件的變形量先隨著增加而后基本不變，且不同數(shù)值的軸向壓緊力均會(huì)造成工件變形，導(dǎo)致難以保證Φ206 mm處的直徑公差為0.03 mm的高尺寸精度要求。但是，當(dāng)僅用三爪夾緊止口端外圓進(jìn)行精加工時(shí)，工件Φ206 mm處的外圓基本不變形，可滿足0～0.03 mm的公差范圍要求。

表2 不同壓緊方式對(duì)工件尺寸的影響情況

6 結(jié)論

本文通過(guò)分析燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)用高溫合金導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用合適的機(jī)加工設(shè)備、工裝、工藝及刀具進(jìn)行加工，同時(shí)通過(guò)研究工件變形的影響因素，掌握了高溫合金薄壁件機(jī)加工的工藝要領(lǐng)。通過(guò)采用本文介紹的加工方法，已成功加工出一批合格品，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）刀具耐磨性越好，越有利于尺寸控制，但在加工剛性較差的薄壁處時(shí)，刀具耐磨性高易導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)顫紋；

（2）高溫合金薄壁件精加工后的變形量會(huì)隨精加工過(guò)程中軸向壓緊力的增加而變大；

（3）精加工高溫合金薄壁件高精度外圓時(shí)，需放在最后加工，且徑向夾緊工件更有利于尺寸精度 控制。