薄壁环形火焰筒加工工艺研究

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摘 要：某机火焰筒内环，零件材料GH3536属于高温合金，该件是由6段呈锥度型面组成S型环形件，涉及相关工艺多-热处理、收口、荧光、电火花打孔等；从工艺路线、切削参数、加工方法等方面进行分析及试验研究，制定出合理的工艺路线，为其它薄壁机匣类环形火焰筒的加工提供可借鉴的工艺方法。

关键词：高温合金；锥度；薄壁机匣；数控加工

中图分类号：V263 文献标识码：A

1 引言

随着航空发动机设计性能的不断提高，机匣的设计结构越来越趋于复杂，加上难加工材料的使用，这给机匣在加工中如何安排工艺路线、如何控制切削变形，带来了极大的难度，特别是壁厚极薄的较为复杂型面的机匣加工，其变形量的控制和如何避免数控加工深槽过程中的“打刀”现象更是该类零件制造技术提升的关键。

2 研究目标

通过该课题的研究，掌握薄壁环形火焰筒的加工方法，为整体环形火焰筒制造技术的提升打下良好的基础。

2.1 设计要求

2.1.1 零件结构

该零件结构复杂（见图1），是由6段型面呈锥度组成的环形件，小端直径φ338.7，大端直径φ427.4，高度154.9，沿型面壁厚1.2±0.05，且6段型面带有宽2.1深7的环槽，在6段环槽底部分布2000余个φ1.0～φ1.6、位置度φ0.3、角度不同的小孔，零件材料为GH3536，鉴于零件结构及材料特点，为加工增加了相当大的难度。（见图1）

2.1.2 零件材料性能分析

根据火焰筒内外环在工作中的使用要求，设计选材为GH3536，此材料属于变形高温合金类，主要用铬和钼固溶强化的一种含铁量较高的镍基高温合金，具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，在900℃以下有中等的持久和蠕变强度，冷、热加工成形性和焊接性能良好。在900℃以下长期使用，短时工作温度可达1080℃。其材料的化学成份见表1。

3 工艺

3.2 工艺分析

3.2.1 零件结构特点及毛料选择

从零件的结构上看，零件为锥形结构，属于复杂型面的薄壁件，最小壁厚仅为1.2±0.05mm，零件上有6处锥段和2处深环槽，且每段与轴线夹角不一样；在零件6段外壁槽底上分布2000余个径向小孔。零件的毛料为Ⅱ类轧环件，热处理状态为固溶， 毛料外径：Ф438±1mm，来料重量36.18Kg（ρ=8.28g/cm3），零件加工后净重6.7 Kg，毛料的利用率仅占18.5%左右。

3.2.2 工艺路线分析

从零件设计图样分析，该件加工涉及到数控车、数控钻、数控镗、数控铣、荧光、电火花打孔等工序，工艺路线相似于机匣件。由于毛料去除量大，加工过程中产生较大的加工应力，因此零件应该先进行粗车与粗铣凸台（外环），粗加工去除大部分余量后安排稳定处理消除应力工序，热处理后及半精车前安排了修复基准面工序，以减少机匣变形。零件径向有32处φ12后发兰通气孔、64处φ10.1主燃孔；其次大端有2处深槽：一处槽深14宽9角度15 、另一处槽深31宽4角度15，且6段型面带有宽2.1深7的环槽，如机械加工这些孔和槽，零件壁薄受力大会导致变形严重，安排了粗打孔，再由加工中心精镗孔，对气膜孔采用了电火花加工。

3.2.3 数控精车分析

车型面是此件研制加工的重点，也是难点；由于车削型面锥度不同、敞开性差，加工过程中零件实时变形，让刀现象非常严重，会导致同一部位出现锥度加工表面、沿型面壁厚尺寸不均。零件在粗加工后根据零件尺寸规格需求，该件适合在数控立车上完成细车与精车工序的型面加工。

由图形可以看出，精车工序的数控加工主要难点有：①零件尺寸精、薄壁（沿型面1.2±0.05mm）、易变形，选择合适的走刀轨迹；②大端槽比较深、6段环槽（深7宽2.1），加工过程中易打刀，选择合适的加工方法和切削参数，非常必要；③由于零件为环形、薄壁类零件，型面复杂，在加工过程中，如果刀具结构选择不当或刀具的装夹位置选择不当，刀具易与零件发生干涉，需要根据现场实际情况，对刀具和刀具的装夹位置进行调整。

3.2.4 数控精车加工

根据上述的零件加工难点和现场加工的情况，对此次加工的具体情况如下：

3.2.4.1 总方案

在加工端面时应将端面留0.5mm的余量；扎槽时零件变形大，应先粗扎槽；再采用内外循环均匀去除机匣内外表面的余量；最后再对端面进行车加工；由于零件下部（小端）刚性较好，因此整个切削过程均为由上端至下端。加工难点主要通过以下措施进行解决：①分阶段加工；②合理地安排热处理工序；③控制走刀路线；④控制切削参数；⑤增加系统刚性。

3.2.4.2 精车型面

走刀路线见图3：

步骤1，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步①平端面，去除部分余量，留0.5余量，为后面零件变形修复端面用；步骤2，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步②、③车外型面大端第1、2、3、4段，径向方向上单边留0.3余量。说明：为防零件振动，制做了8个角度与零件吻合的木块，用压板压在木块上，起到支撑内壁作用，在加工外壁时零件振动通过木块而消除。步骤3，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步④车大端内径，径向方向上单边留0.3余量。步骤4，采用刀具：通用2.7宽机夹切刀。加工目的：按工步⑤粗扎槽，径向方向上单边留0.3余量。说明：槽位于上部，粗扎槽去余量大，零件振动造成尺寸超差及表面波纹，因此在大端第1、2段外壁缠上胶皮起到减震和约束作用。步骤5，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步⑥、⑦、⑧车内型面，径向方向上单边留0.3余量。说明：仍然在大端第1、2段外壁缠上胶皮。步骤6，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步①车去端面余量0.3，车去端面变形，留0.2余量。步骤7，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步②、③精车外型面大端第1、2、3、4段，将0.3余量分配为0.2、0.1两次走刀，保证最终尺寸。说明：仍然采用8个木块做内支撑，每段车完0.2余量时更换新刀片，车掉剩余的0.1余量，避免振纹，保证壁厚尺寸均匀。步骤8，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀、篦齿刀。加工目的：按工步④、⑤精车内径及槽，车去径向方向上的单边0.3余量，深槽反复上刀，修正振动产生的波纹。说明：仍然采用8个木块做内支撑，在大端第1、2段外壁缠上胶皮。步骤9，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步⑥、⑦、⑧精车内型面，尺寸加工到位，保证壁厚尺寸1.2±0.05。步骤10，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步⑨精车大端第5段外型面，尺寸加工到位，保证壁厚尺寸1.2±0.05。说明：由图样看出，车大端第5段外型面时需要倒压板，将压板压在内圆端面上，仍然采用8个木块做内支撑。步骤11，采用刀具：通用R0.8机夹偏刀。加工目的：按工步①将端面尺寸加工到位，车去剩余0.2余量，保证平面度。步骤12，采用刀具：专用机夹刀具。环槽的宽度小，深度深，比较难加工，在加工环槽时，零件内表面先留0.4mm的余量，使用外购带角度的机夹刀加工完槽后，再去内表面余量，保证零件尺寸符合设计图要求。

4 总结

通过对此课题的研究，对大型薄壁件的工艺加工有了更系统化的分析，从工艺路线的安排、余量的分布、以及UG软件编制循环程序的应用，同时掌握了此类零件的数控加工方法和该类材料数控切削参数的选择，此次研制加工的成功，也总结出以下经验：

加工薄壁件时，应遵循以下原则：

（1）刀具、参数及走刀路线：1）选择小刀尖半径刀片（一般R在0.2～0.4），以避免引起变形，但要保证刀具寿命，刀尖半径不能太小；2）减少主切削角：粗加工时为6°～8°，精加工时为10°～12°，让零件强度高的部分或夹具承受载荷；3）减少切深：该材料型面车加工选择切深在0.1～0.5 mm范围；4）不要让刀具过多地滞留在加工表面上；5）降低切速：该材料型面加工8～35r/min；6）许多机匣壁很薄，薄壁件的变形是一个很重要的问题，由于过大的切削压力和剪切应力，产生的部分热量会引起零件变形，在壁非常薄的部分热量会穿透到截面所有部分，引起金相显微组织损伤，此时为降低切速，限制热量集中，可以使用硬度合金刀具；7）在某种情况下，切削方向非常重要，例如：一些薄壁件在加工中出现的振颤.变形问题，可由根部向外车削改为由外向根部切削加以解决，用该方法可将切削力集中于装夹上；

（2）工艺路线：1）分阶段加工。零件分为粗车-细车-精车，每个阶段均匀去余量，减小零件应力分布的不均匀程度；2）合理地安排热处理工序。在零件的毛料状态和粗加工后进行热处理工序，消除机加过程中产生的应力；3）控制走刀路线。关键工序——细车、精车中，规定刀具走刀路线，减少和调整切削力，控制加工变形；4）控制切削参数。为减少零件变形，在加工过程中严格地控制切削参数；5）增加系统刚性。①关键工序组合带辅助支承的夹具，增加零件的刚性，减小变形；②选择适合高温合金槽形加工的机夹刀具，减少切削力，保证环形槽的加工精度。

参考文献

[1]王爱玲，等.机匣制造技术[M].北京：国防工业出版社.

[2]中国航空材料手册[M].编委会编写中国航空材料手册（第4卷）.