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(fā)動機因其工業(yè)技術(shù)要求之高而被譽為“皇冠上的明珠”。航空發(fā)動機是由多種類型零部件組成，可以在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和不斷變換工作狀態(tài)的惡劣環(huán)境中工作的高度復(fù)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(fā)動機性能的永恒主題，這也促使發(fā)動機結(jié)構(gòu)越來越集成、設(shè)計越來越復(fù)雜［1］。現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計采用了許多新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)來滿足苛刻的性能要求，高溫和承力結(jié)構(gòu)件多采用整體結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，表面粗糙度及表面質(zhì)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(shè)備和技術(shù)方法才能滿足它們的加工要求。此外，對于一些傳統(tǒng)的加工設(shè)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(tǒng)思維，開拓創(chuàng)新，使它們更具活力，同樣可以在未來新零件的加工中發(fā)光發(fā)熱。這里提到的放氣支板零件，就屬于一種新結(jié)構(gòu)的零件。在該零件改進后的加工過程中，既有用到五坐標(biāo)加工中心、可變軸輪廓銑等先進的加工設(shè)備和加工方法，也用到了三坐標(biāo)加工中心、中心鉆等傳統(tǒng)的加工設(shè)備和刀具。正是在這種有“新”有“舊”的結(jié)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(jīng)驗。

2 零件介紹

放氣支板是某型航空發(fā)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(diào)節(jié)高壓轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(biāo)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(zhuǎn)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(xù)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(nèi)腔時，腔內(nèi)轉(zhuǎn)接圓角為R5，所能采用的刀具直徑為?10，內(nèi)腔深度最深為67mm，加工時會產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，壁厚尺寸不易保證，如圖4所示。

圖4 銑內(nèi)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(chǎn)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(biāo)加工中心等先進設(shè)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(diào)整。

調(diào)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(nèi)腔—去毛刺—锪平面、锪倒角—去毛刺—標(biāo)印—清洗—最終檢驗。

調(diào)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(biāo)加工中心上加工。這樣做，可以大大縮短零件加工和周轉(zhuǎn)時間，而且可以應(yīng)用五坐標(biāo)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(nèi)腔工序和銑型面、鉆孔工序合并在五坐標(biāo)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(biāo)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(dǎo)致刀具強度有限，所以刀具會產(chǎn)生嚴(yán)重的讓刀現(xiàn)象。工藝路線調(diào)整后，該工序在五坐標(biāo)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。可變輪廓銑可以精確地控制刀軸和投影矢量，使刀具產(chǎn)生復(fù)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(qū)動方法選擇邊界驅(qū)動，如圖6所示。外形作為理論驅(qū)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?qū)Ⅱ?qū)動邊界投影到斜面上產(chǎn)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(qū)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(qū)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(guān)系Fig.8 Relationship between Cutter Location Points and Tools Actual Distance

驅(qū)動邊界在生成刀位點時仍距驅(qū)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(qū)動邊界為X時，并不是一個刀具半徑。而當(dāng)?shù)遁S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(yīng)以斜面為基準(zhǔn)，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(qū)動邊界的確定

原理論驅(qū)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(zhǔn)確的刀軌。依據(jù)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(zhǔn)確的刀軌。依據(jù)刀軸方向，設(shè)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(qū)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(xù)采用多軸輪廓銑加工，部件幾何體選擇零件外形，驅(qū)動方法選擇曲面驅(qū)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(qū)動的曲面選擇應(yīng)與斜面平行，以確保走刀軌跡的連續(xù)性，如圖13、圖14所示。

圖13 曲面驅(qū)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(nèi)腔方法研究

5.2.1 銑內(nèi)腔的工藝難點

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

圖15 銑內(nèi)腔工藝規(guī)程要求簡圖Fig.15 Diagram of Process Plannings for Milling Inner Cavity

5.2.2 銑內(nèi)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(nèi)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(xù)的鉆孔做準(zhǔn)備。然后先用?14鉆頭預(yù)鉆孔（以20mm為一個單位），然后再從預(yù)鉆孔處落刀進行分層銑削。在每層加工中根據(jù)讓刀程度的不同，調(diào)整刀具補償，保證單邊預(yù)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(nèi)腔加工順序，如圖16所示。

圖16 銑內(nèi)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(xiàn)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(guī)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(guān)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(zhì)量，我們考慮可以先用中心鉆進行預(yù)鉆孔，然后再用鉆頭加工到最終尺寸。中心鉆的優(yōu)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(fā)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(guī)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(dǎo)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(yù)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(xù)鉆孔，最終保證工藝規(guī)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(yù)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(dǎo)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(jié)

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(zhì)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(jié)構(gòu)零件的加工提供了可行性方案。