支撐環(huán)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子第三級(jí)引氣管組件的核心基礎(chǔ)件，屬高精度鈦合金薄壁環(huán)形空腔結(jié)構(gòu)件。其尺寸精度、形位公差及組件靜平衡性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝配精度與整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。該類(lèi)零件腹板最薄處僅1.8mm，徑向剛性較差，加工過(guò)程中受切削力與夾緊力作用易產(chǎn)生彈性變形;粗、半精加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在后續(xù)工序釋放，會(huì)導(dǎo)致零件自由狀態(tài)下的變形加劇，進(jìn)而引發(fā)外圓均布孔位置度、同軸度超差等問(wèn)題。此外，薄壁結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)面易發(fā)生變形，給后續(xù)工序定位加工帶來(lái)累積誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件報(bào)廢。

鈦合金薄壁環(huán)形件的變形控制是航空精密制造領(lǐng)域的共性技術(shù)難點(diǎn)。現(xiàn)有加工工藝多側(cè)重單一環(huán)節(jié)的誤差補(bǔ)償，尚未形成全流程變形控制體系，難以滿足高精密航空零部件的加工要求。本文以支撐環(huán)為研究對(duì)象，針對(duì)其加工變形、關(guān)鍵工序精度保障及組件靜平衡三大核心問(wèn)題，從工藝路線、工裝夾具、切削參數(shù)及裝配工藝4個(gè)維度開(kāi)展優(yōu)化研究，形成一套適用于鈦合金薄壁環(huán)形件的低應(yīng)力加工及靜平衡保障技術(shù)方案，旨在為航空發(fā)動(dòng)機(jī)同類(lèi)型薄壁回轉(zhuǎn)件的加工提供工藝參考[1]。

1、支撐環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工裝配難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

支撐環(huán)為鈦合金整體鍛造的薄壁環(huán)形空腔結(jié)構(gòu)，外圓周向分布兩組高精度均布孔，與引氣管裝配間隙要求為0.004~0.023mm，兩組孔同軸度公差不超過(guò)0.06mm;孔中心至基準(zhǔn)面軸向高度為15mm，基準(zhǔn)面與支撐面存在0.7mm臺(tái)階差。零件圓周均勻分布12個(gè)圓孔與12個(gè)長(zhǎng)條減重孔，相鄰孔間支撐面積小，整體剛性差。該零件與12件引氣管及輔助件裝配組成引氣管組件，組件對(duì)靜平衡要求嚴(yán)苛，規(guī)定殘余不平衡量不超過(guò)20g·mm。引氣管組件三維模型如圖1所示。

1.2 核心加工裝配難點(diǎn)

第一，零件變形導(dǎo)致關(guān)鍵精度難以保證。支撐環(huán)外圓兩組Φ25.0 ₀^+0.021均布孔位置度公差不超過(guò)0.021mm，自由狀態(tài)下同軸度與位置度不超過(guò)0.06mm。因零件存在多處空腔與減重孔，剛性差、變形敏感性高，加工中難以兼顧孔系的高精度要求。若精度超差，則會(huì)直接導(dǎo)致引氣管裝配卡滯、無(wú)法到位，影響組件裝配質(zhì)量。支撐環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

第二，懸臂安裝邊加工精度控制難度大。支撐環(huán)懸臂安裝邊的加工需嚴(yán)格保證腹板厚度尺寸、腹板內(nèi)側(cè)及端面跳動(dòng)公差。其加工過(guò)程存在以下核心難點(diǎn):零件剛性差，在切削力作用下易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致各尺寸相對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)要求難以保證;基準(zhǔn)面與夾具定位的貼合面積小，輔助支撐難以有效發(fā)揮作用，使得腹板懸臂撓度增大，無(wú)法保證基準(zhǔn)面與腹板底部的平面度及平行度。

第三，端面深槽車(chē)削存在多重技術(shù)難題。支撐環(huán)端面環(huán)槽深度達(dá)36.5mm，且因圓周減重孔的存在，車(chē)削過(guò)程處于斷續(xù)切削狀態(tài)，零件槽壁處壁厚僅4mm。加工中切削力易引發(fā)零件變形與內(nèi)環(huán)讓刀;斷續(xù)切削產(chǎn)生的刀具沖擊易引發(fā)振刀現(xiàn)象，導(dǎo)致槽面粗糙度超差，難以達(dá)到表面粗糙度Ra不大于1.6μm的設(shè)計(jì)要求。此外，鈦合金材料導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性強(qiáng)，加工時(shí)切削溫度高，易產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)一步加劇切削力與零件變形[2]。

第四，組件靜平衡達(dá)標(biāo)難度高。引氣管組件的靜平衡工裝為無(wú)心盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，重心易偏離回轉(zhuǎn)中心。支撐環(huán)加工后的壁厚不均，且12件引氣管之間存在不可避免的質(zhì)量差異，導(dǎo)致組件的初始不平衡量過(guò)大。傳統(tǒng)調(diào)整方式僅通過(guò)單一去重來(lái)實(shí)現(xiàn)靜平衡，受限于零件余量，難以將殘余不平衡量有效控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2、工藝優(yōu)化方案

針對(duì)支撐環(huán)加工裝配的核心難點(diǎn)，遵循"源頭控制、分序施策、工裝保障、裝配協(xié)同"的優(yōu)化原則，從加工變形全流程控制、關(guān)鍵工序工藝優(yōu)化、組件靜平衡保障3個(gè)維度開(kāi)展系統(tǒng)性工藝改進(jìn)。

2.1 加工變形全流程控制

2.1.1 增設(shè)消應(yīng)力熱處理工序

為最大限度地降低殘余應(yīng)力對(duì)零件變形的影響，在粗加工與半精加工后分別增設(shè)以消除內(nèi)應(yīng)力為主要目的的熱處理工序。粗加工后零件已形成基本輪廓，此時(shí)進(jìn)行熱處理可同步釋放鍛件自身的原始應(yīng)力與粗加工產(chǎn)生的切削應(yīng)力。半精加工后的熱處理則進(jìn)一步釋放二次切削應(yīng)力，從源頭減少后續(xù)工序的變形誘因。同時(shí)，考慮到熱處理后零件可能存在微量變形，粗加工后單邊預(yù)留3mm加工余量，確保余量大于熱處理變形量，為精加工留出足夠的調(diào)整空間。

2.1.2 優(yōu)化加工工序與余量分配

根據(jù)鈦合金薄壁環(huán)形件加工特性，制定先基準(zhǔn)后其他、先粗后精、先面后孔、內(nèi)外交替、對(duì)稱(chēng)加工的工藝路線，將加工過(guò)程分為粗加工、半精加工、精加工3個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)余量均勻分配與應(yīng)力逐步釋放。一是粗加工，采用車(chē)削方式快速去除大部分加工余量，對(duì)變形敏感的端面槽、溝槽等結(jié)構(gòu)提前加工出雛形，使零件前期變形充分釋放，避免精加工階段因大余量切削引發(fā)二次變形。二是半精加工，完成各表面的精整加工，確保精加工前各表面余量均勻(單邊預(yù)留0.7mm)，并安排腐蝕檢查，排查鈦合金鍛件內(nèi)部可能存在的裂紋、折疊、夾雜物等冶金缺陷，防止因缺陷導(dǎo)致后續(xù)加工變形或零件失效。三是精加工，采用精車(chē)與數(shù)控鉆削完成最終尺寸加工，采用內(nèi)外型面交替對(duì)稱(chēng)切削方式切削至設(shè)計(jì)尺寸，促使殘余應(yīng)力逐步對(duì)稱(chēng)釋放，從而減小零件最終變形;精加工后安排熒光檢查，檢測(cè)零件表面及近表面的微缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 關(guān)鍵工序加工工藝優(yōu)化

2.2.1 懸臂安裝邊加工工藝優(yōu)化

在工裝夾具優(yōu)化方面，摒棄原有可調(diào)式輔助支撐夾具，重新設(shè)計(jì)了雙止口定位夾具，如圖3所示。該夾具采用徑向定位、軸向壓緊的裝夾方式，選擇零件剛性較好的配合內(nèi)圓表面和端面作為定位面與支撐面，大幅增大了基準(zhǔn)面的貼合面積。通過(guò)調(diào)節(jié)壓緊力，可快速將支撐環(huán)找正至設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，確?；鶞?zhǔn)面與腹板處于同一平行平面，有效解決懸臂結(jié)構(gòu)的撓度問(wèn)題。同時(shí)，在零件安裝前，對(duì)支撐面與找正面進(jìn)行平磨處理，保證其平面度及相互平行度，提升定位精度。

在切削方式改進(jìn)方面，針對(duì)懸臂安裝邊加工時(shí)徑向受力易變形的問(wèn)題，采用對(duì)稱(chēng)分層切削方式，保證零件兩側(cè)余量均等去除，避免單側(cè)切削力過(guò)大所導(dǎo)致的彎曲變形。同時(shí)，降低單次切削深度，以減小切削力對(duì)零件的影響。

2.2.2 端面深槽車(chē)削工藝優(yōu)化

針對(duì)切削方式，將傳統(tǒng)輪廓分層車(chē)削改為插削式車(chē)加工，使切削力由徑向分布轉(zhuǎn)為軸向分布，從而大幅減少?gòu)较蚯邢髁?duì)薄壁槽壁的擠壓變形，同時(shí)有效減少斷續(xù)切削過(guò)程中的刀具沖擊，降低振刀概率[3]。在切削參數(shù)與刀具優(yōu)化方面，應(yīng)結(jié)合鈦合金的難加工特性，選用硬質(zhì)合金刀具，優(yōu)化刀具幾何角度以減小切削阻力。同時(shí)，分階段制定低應(yīng)力、高精度切削參數(shù):粗加工以高效去余量為目標(biāo);半精加工保證余量均勻;精加工以小切深、低進(jìn)給為原則，保證表面質(zhì)量與尺寸精度。全程采用高壓冷卻液澆注，降低切削溫度，防止材料過(guò)燒與加工硬化。具體切削參數(shù)如表1所示。為提升加工系統(tǒng)剛性，在加工前對(duì)機(jī)床、夾具、刀具進(jìn)行精調(diào)，減小系統(tǒng)間隙。采用短刀柄、大直徑刀具，以提高加工系統(tǒng)的整體剛性，有效抑制振刀現(xiàn)象，保證加工穩(wěn)定性。

表1 支撐環(huán)端面深槽分階段切削參數(shù)

2.3 引氣管組件靜平衡保障工藝優(yōu)化

組件靜平衡的核心在于降低初始不平衡量，以減少后續(xù)去重工作量[4]。本文從零件加工與裝配工藝兩個(gè)維度入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始不平衡量的精準(zhǔn)控制。

第一，引氣管加工一致性控制。制定引氣管專(zhuān)用加工工藝規(guī)程，嚴(yán)格管控各工序的尺寸精度與質(zhì)量偏差，將單個(gè)引氣管的質(zhì)量公差控制在極小范圍內(nèi)，從源頭控制因零件自身差異導(dǎo)致的不平衡。第二，引氣管稱(chēng)重分級(jí)。裝配前對(duì)所有引氣管進(jìn)行高精度稱(chēng)量，按質(zhì)量由小到大統(tǒng)一編號(hào)，詳細(xì)記錄每件質(zhì)量數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量臺(tái)賬。第三，對(duì)稱(chēng)配對(duì)裝配。采用圓周對(duì)稱(chēng)配對(duì)方案進(jìn)行引氣管裝配，保證配對(duì)安裝的兩件引氣管質(zhì)量差異不超過(guò)0.5g，使12件引氣管的質(zhì)量在圓周上均勻分布，大幅降低組件的初始不平衡量。第四，精準(zhǔn)去重調(diào)整。對(duì)裝配后的組件進(jìn)行靜平衡檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果在零件的指定去重區(qū)域進(jìn)行微量去重，避免大面積去重導(dǎo)致零件強(qiáng)度降低，確保組件的殘余不平衡量不超過(guò)20g·mm。

3、工藝優(yōu)化效果驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證優(yōu)化后工藝的可行性、穩(wěn)定性與工程實(shí)用性，本文選取多批次同規(guī)格支撐環(huán)，分別采用原工藝與優(yōu)化后工藝進(jìn)行加工試制。在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件外圓均布孔位置度、兩組孔同軸度、懸臂安裝邊端面跳動(dòng)、端面深槽表面粗糙度Ra、組件初始不平衡量、組件殘余不平衡量及單件加工效率開(kāi)展對(duì)比驗(yàn)證。

3.2 結(jié)果分析

支撐環(huán)工藝優(yōu)化前后關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 支撐環(huán)工藝優(yōu)化前后關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

由表2可知，優(yōu)化后支撐環(huán)外圓均布孔位置度、兩組孔同軸度、懸臂安裝邊端面跳動(dòng)等核心指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上限值(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求外圓均布孔位置度與兩組孔同軸度不超過(guò)0.06mm，懸臂安裝邊端面跳動(dòng)不超過(guò)0.05mm)，且較優(yōu)化前明顯改善，徹底解決了自由狀態(tài)下變形超差、裝配卡滯問(wèn)題，基準(zhǔn)面平面度、平行度及腹板厚度尺寸全部穩(wěn)定受控[5]，說(shuō)明優(yōu)化后的尺寸與形位精度全面達(dá)標(biāo)且優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)。端面深槽經(jīng)插削式車(chē)削與參數(shù)優(yōu)化后，表面粗糙度Ra穩(wěn)定在1.2~1.6μm(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求表面粗糙度Ra不超過(guò)1.6μm)，徹底消除了讓刀、振刀、加工硬化等缺陷，較優(yōu)化前表面質(zhì)量明顯改善，完全符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密件表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。組件初始不平衡量較優(yōu)化前明顯降低，經(jīng)微量去重后殘余不平衡量穩(wěn)定控制在8~18g·mm(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求殘余不平衡量不超過(guò)20g·mm)，優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，解決了傳統(tǒng)工藝靜平衡反復(fù)調(diào)整、難以達(dá)標(biāo)的行業(yè)難題。優(yōu)化工藝使單件加工效率提高30%以上，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高效率的生產(chǎn)要求。

4、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金薄壁環(huán)形件支撐環(huán)加工變形、關(guān)鍵精度難保證、組件靜平衡不達(dá)標(biāo)等技術(shù)難題，采用"粗、半精加工后增設(shè)消應(yīng)力熱處理+分階段余量分配+內(nèi)外對(duì)稱(chēng)切削"的工藝路線，可有效釋放鍛件原始應(yīng)力與加工殘余應(yīng)力，從源頭控制零件變形，徹底解決了鈦合金薄壁件因應(yīng)力釋放導(dǎo)致的自由狀態(tài)變形問(wèn)題。采取"引氣管加工一致性控制+高精度稱(chēng)重+圓周對(duì)稱(chēng)配對(duì)裝配"的組合方案，可大幅降低引氣管組件初始不平衡量，結(jié)合微量精準(zhǔn)去重，實(shí)現(xiàn)了組件靜平衡性能的有效保障，解決了傳統(tǒng)工藝中靜平衡達(dá)標(biāo)難的問(wèn)題。

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（注，原文標(biāo)題：鈦合金薄壁環(huán)形件低應(yīng)力加工與靜平衡控制技術(shù)_崔淏）

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