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薄壁压气机罩轮廓面车削加工工艺研究

【Summary】某型航空发动机压气机部件，属于大直径薄壁件，结构刚性差，材料为变形高温合金，零件表面有断续孔和硬质涂层。在切削加工过程中，由于零件受切削力作用易产生应力变形，导致零件尺寸加工前后产生变化，尺寸精度无法保证，一次加工合格率低，表面质量差，以上技术难点严重耽误生产进度，影响产品的交付。本文主要针对该零件轮廓面处尺寸变形控制的技术难点进行工艺分析，创新车削工艺方法、夹具设计优化方法，从而提升产品合格率，改善产品表面质量，为顾客提供高质高效的产品。
【Keys】镍基高温合金Inconel 625、应力变形、面轮廓度、过程失效模式分析FMEA、工艺成熟度评价PRI、力矩
1.概述
压气机罩是航空发动机的重要组成部分，本文所述压气机罩是某机型压气机单元的重要零部件之一。零件材料为镍基高温合金Inconel 625，该材料是以钼铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，从低温到980℃均具有良好的拉伸性能和疲劳性能，并且耐盐雾气氛下的应力腐蚀。零件壁厚0.5～3.5mm, 壁厚分布不均匀，大部分壁厚在1.5mm以内；零件总高110mm,最大直径Φ451mm,直径尺寸较大，轴向尺寸较小，即径长比大；零件形状结构呈不规则状，安装边根部处有圆弧槽，轮廓端面处有一组间断孔和硬质涂层流道面，零件小端呈喇叭状。综上所述，零件结构刚性差，导致零件工艺系统刚性较差，机械加工切削性较差。
2.存在的主要问题
零件为大直径薄壁件，结构刚性差，材料切削加工性差，零件存在应力变形和装夹变形，轮廓面处尺寸自由状态与约束状态下测量结果不一致，轮廓面处的面轮廓度尺寸和基准处的外径、平行度、平面度尺寸无法加工合格；零件轮廓表面和安装孔处有振纹，表面粗糙度不符合图纸要求；零件表面有2处断续孔，刀具构成断续切削，加工过程存在振刀、让刀现象，易磨损、易发生崩刃，刀具切深仅为0.3-0.5mm，尺寸返修率高，生产加工效率低。
图1 精密尺寸加工示意图
3. 原因分析及研究方案的制定
3.1过程失效模式分析PFMEA：Process Failure Mode and Effects Analysis简称PFMEA，主要用于关重要素尺寸在制造过程前，引入工艺过程失效模式分析，以达到预防控制风险的目的。本项目研究主要使用该工具，先评估产品制造过程和工艺规程存在的潜在风险项，然后评价潜在风险项对顾客交付和产品质量的影响，并找出潜在风险项的过程控制变量，再编制风险重要程度表，优先控制严重的潜在风险项，最后跟踪并更新预防和纠正措施的实施。通过分析，导致零件轮廓面精密尺寸超差率高的风险项主要是以下三方面：①工件工艺系统刚性差，刀具加工至断续孔区域时频繁出现振刀、让刀、崩刃现象；②刀具加工硬质涂层时产生过大的切削力；③原车削工艺方法无法控制和减小零件切削变形。
3.2 工艺成熟度评价PRI：工艺过程稳固性研究Process Robustness Index简称工艺成熟度评价PRI，是一种分析工艺准备情况的工具，主要用于评价供应商产品工艺过程的稳定性、工艺的完善性，并对每个过程进行量化，找出工艺准备过程的问题并制定纠正措施，进行跟踪归零，最终使工艺过程满足制造过程的零缺陷。本项目研究主要从工艺控制方法、工具准备、量具准备、设备TPM、关重要素控制、供应商控制、产能分析、外来物损伤方面对该零件工艺文件及过程实现条件的完备程度开展量化评价，促进生产及工艺过程持续改进，从而实现提升工艺过程的稳定性及持续制造交付的批产能力。通过量化评价，该产品工艺成熟度总分值75分，未达到小批生产工艺完备度分值大于80分的要求，主要影响因素为工艺规程不完善、夹具设计不合理、关重要素尺寸控制工艺方法欠合理。
3.3 研究方案的制定：结合工艺过程失效模式分析和工艺成熟度评价的数据，运用因果关系鱼刺图从人、机、料、法、环、测查找问题根源，经分析得出，该零件尺寸合格率的根本原因为零件结构刚性不足、工艺加工方法不合理、夹具刚性不足、切削变形引起尺寸前后变化。需要从以下两个方面进行研究：①数控车削加工工艺方法研究：调整工艺路线，尺寸工序集中；将定位、测量、编程基准统一；选择刚性较强、精度较高的基准面作为定位基准。②夹具设计优化研究：研究夹具设计方法，申请制造专用夹具，组织夹具试加工验证。
4.研究方案的实施
4.1数控车削加工工艺方法研究
4.1.1尺寸工序集中。由于零件工艺系统刚性差，加工过程中易产生应力变形和装夹变形，会导致尺寸加工前后产生变化，不易采取粗车轮廓面+精磨安装边基准面+精车轮廓面+精磨基准面的传统加工方式。为了有效控制和减小工序累积误差，将高精度尺寸集中在一道工序通过一次装夹来完成加工，故采用粗车轮廓面+精加工基准面及轮廓的加工方式，将基准端面、基准外圆、安装边外圆、端面、圆弧槽、轮廓面尺寸安排在一道工序加工完成，消除因多道工序加工带来的反复装夹误差，保证尺寸精度。
4.1.2将零件定位基准、尺寸测量基准、数控程序编程基准保持一致，消除夹具装夹误差、尺寸测量误差、程序对刀误差带来的不利影响。精车工序选前一道工序精磨工序加工面作为基准面，要求加工前对该端面进行着色检查，着色面积不少于80%，且沿圆周不间断。
4.1.3选择结构刚性较强、尺寸精度较高的端面作为定位基准，消除因零件装夹变形、刀具切削力作用而导致尺寸加工前后产生变化的质量风险。选取精磨工序加工面作为支靠面，该端面处于零件中段，尺寸精度较高，零件厚实且圆周分布均匀，结构刚性较好，同时该端面处有21处沉头孔，将此孔作为零件安装孔，使用沉头螺钉贯穿沉头孔，拧紧沉头螺钉固定零件。
4.2数控车削夹具设计优化研究
4.2.1数车夹具的设计方法：原采取粗车轮廓面+精磨安装边基准面+精车轮廓面+精磨基准面的工艺路线，此方法无法有效控制和避免零件变形，无法保证基准端面、基准外圆、安装边端面的形状位置公差满足设计要求，故调整工艺加工方法后，需要重新研制夹具，夹具分为安装板和底座；底座一端与法兰盘连接固定，另一端与安装板通过3处均布的销钉定位，并通过6处均布的螺杆连接固定；加工前先将安装板安装在底座上，检查安装板支靠面跳动不大于0.005，如不合格，则卸下夹具，精修法兰盘安装面；选用21支沉头螺钉贯穿零件轮廓端面处沉头孔，然后使用力矩扳手拧紧沉头螺钉将零件固定在安装板上。
4.2.2 力矩参数的确定
力矩在物理学上是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，力矩等于径向矢量与作用力的叉积，力矩的单位是牛顿×米，本产品引入力矩的概念，采用力矩扳手拧紧21支沉头螺钉将零件固定在安装板上的方法，目的是保证沉头螺钉施加给零件的压紧力大小相等、圆周均布，最大限度的减小或避免零件产生装夹变形。用力矩扳手拧紧螺钉时，作用于扳手上的力F使扳手绕孔中心点O转动，手用的力F越大，螺钉拧得越紧，这就说明使扳手绕支点O的转动效应不仅与力F的大小成正比，而且与支点O到作用线的垂直距离r（称力臂）也成正比。力F对矩心O点的距简称力矩，用M(F)表示，其大小等于力F的大小与力臂r的乘积，即：M(F)=F×r。根据以上力矩公式，首先选取固定力臂值的力矩扳手，其次选取4件试件（1#-4#）进行力矩试验，并记录零件自由状态下基准端面A的平面度值，以此判断力矩对零件装夹变形的影响。通过开展多次力矩试验，结合基准面A平面度试验前后测量值(单位mm)进行数据对比分析得出，适用力矩为1.1～1.2牛·米，因4#零件经过程序试加工验证，零件尺寸检测合格，故力矩最终确定为1.2牛·米。
5.结束语
通过开展车削工艺方法、夹具设计优化研究，该产品的技术难题得以攻破，通过对三批次20件零件实测值记录的统计，计算出零件过程能力指数CPK=1.35＞1.33，证明过程能力充分，尺寸加工质量稳定且接近中差，满足设计图纸要求，工序尺寸一次加工合格率100%，加工效率提高100%，生产周期缩短15天。对机械加工而言，本文所论述的问题只是其中很微小的一部分，但很具有针对性，对类似镍基合金材料的薄壁环形件的加工具有一定的参考意义，希望所有做机械加工的同行能多分享在实际生产中的经验和心得。航空发动机技术日新月异，对工程技术的要求与日俱增，这就要求工程技术人员必须深耕一线、务实创新，积极进取，应用先进的工艺技术引领生产的发展，真正体现科技是第一生产力的真理。
6.Reference
1. 机械工程学会《机械工程师》 2016年8月
2. 《金属切削技术》 2017年11月

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