篦齿盘机械加工变形控制研究
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摘 要：篦齿盘是航空发动机的关键零件之一，该零件刚性较差，加工变形比较严重，具有很高的加工难度。该文通过对零件特点以及变形规律进行分析，依据以往的加工经验探索加工变形控制方法，分别从工艺路线安排、装夹方式、数控程序走刀路线以及加工参数等方面进行改进，以达到控制零件变形，提高零件质量的目的。
关键词：加工变形控制;工艺路线;装夹;数控程序;加工参数
中图分类号：V23 文献标志码：A
0 引言
篦齿盘是航空发动机的关键零件之一，该零件位于高压压气机后端，由具有两平面基准的盘类结构与外圆处的篦齿结构组成，在航空发动机中作用有二：一是起到密封作用，减少压气机后端的漏气与压力损失;二是连接作用，传递前后端零组件之间的扭矩。该零件的特点为两基准平面的平面度与平行度要求高，止口尺寸严且跳动要求高，篦齿处结构复杂且齿尖壁厚很薄，盘结构尺寸较大，壁厚较薄。以上特点决定零件刚性较差，加工变形比较严重，具有很高的加工难度。
该文通过对零件特点以及变形规律进行分析，依据以往的加工经验探索加工变形控制方法，分别从工艺路线安排、装夹方式、数控程序走刀路线以及加工参数等方面进行改进，以达到控制零件变形，提高零件质量的目的。
1 零件结构特点及加工变形情况
篦齿盘零件结构由具有两平面基准的盘类结构与外圆处的篦齿结构组成，在基准平面上有24个安装孔，外圆处为斜篦齿结构。零件的主要尺寸以及技术条件为：外圆最大直径为φ465±0.06，齿尖处宽度为0.25±0.1，基准平面厚度为7.6±0.05，零件内孔尺寸为φ130，内孔直径尺寸以及三处止口尺寸公差等级为H7，盘心处壁厚为30±0.05，基准A垂直度为0.05，基准B平面度为0.05，另一基准平面、止口、盘心端面以及内孔对基准A、B跳动均为0.05。
在以往的加工中，我们发现该零件的加工难点在于：零件材料稳定性差，且辐板结构长，壁厚薄，加工变形严重，导致辐板及盘心至基准面的轴向尺寸超差严重，整个零件的变形趋势为外侧整体向小止口一侧偏移，且越远离盘心变形幅度越大。由此导致的零件超差因素为：零件基准面至辐板及盘心端面处轴向尺寸超差，最大可达0.2 mm;盘心端面及内孔圆跳动超差，最大0.05 mm;篦齿结构向基准A一侧倾斜，导致篦齿尖直径尺寸加工不同步，差距可达0.05 mm。
可以看出，零件刚性不足导致的加工变形是尺寸超差的主要原因，严重影响了零件质量。因此，我们决定分别针对上述3种变形情况，从工艺路线安排、装夹方式、数控程序走刀路线以及加工参数等方面进行改进。
2 辐板结构变形的控制方案
根据以往的加工经验，我们分析出零件辐板处变形是由于零件整体结构刚性不足以及材料稳定性差所导致的，而对于这种加工变形的控制我们主要以工艺路线的合理安排以及装夹方式的改进为主要手段，辅以控制合适的加工参数以降低零件的加工应力。下面，我们分别从这几个方面进行探讨。
2.1 零件工艺路线的安排
我们知道，合理的工艺路线可以提高零件的加工质量和效率。从零件的结构我们可以看出，零件的基准面处的尺寸和技术条件要求较严，为零件的关键部位。因此，我们首先将零件基准面加工到位，然后以其作为装夹基准，进行其余表面的加工。大致工艺路线如下：
毛料→粗车→半精车→车装夹基准面→车第一面基准→铣螺纹孔→车第二面基准→钻镗孔并倒角→精车→标印→检验→包装入库。
在之前的討论中我们提到两基准平面和止口无法在同一工序加工，会产生定位误差以及装夹变形，对零件的加工质量造成影响。因此我们在2个基准面精加工之间增加了一道铣螺纹孔工序，具体的装夹方式与作用在下文探讨。
2.2 零件装夹方式的改进
在篦齿盘以往的加工中，在以第一面基准面作为装夹基准时，我们采用压板压紧的方式进行装夹。在实际的加工中我们发现，由于定位面与压紧面并不对位，在压板压紧时零件会产生变形，达不到预期的目的。这种变形对零件基准面的加工影响很大，是导致基准面跳动要求超差的主要原因。
针对这种情况，我们对车基准装夹方式进行了如下改进：车完第一面基准后，在零件基准面上钻或铣加工8个深度为5.5 mm的均布盲孔，并铣加工M8×0.5螺纹;夹具的结构为基准平面上增加通孔，穿过螺钉后直接将零件拉紧在夹具上，然后加工第二面基准。在钻铰孔工序再将螺纹孔加工成最终的通孔。
这种装夹方式利用了零件安装孔处的余量，不影响零件的最终状态;而且装夹后直接将夹具的平面度传递到零件上，不存在装夹结构不合理导致变形的情况。经实际加工验证，使用这种装夹方法，零件基准平面度达到了0.01，止口处的变形也成功消除，尺寸均在公差范围内。
2.3 走刀路线及加工参数的改进
零件车削加工时，车刀的走刀方式与加工参数对零件的表面状态有非常大的影响。选取的走刀路线及加工参数是否合理，关系到零件的表面及内部的应力状态，并进一步影响到零件加工尺寸的精确度。不合理的加工参数会导致零件产生很大的加工应力，是零件变形的罪魁祸首之一。在以往的篦齿盘加工中，零件的上刀量、加工参数都是由操作者依据经验手动调整的，具有很大的不确定性。因此，我们编制了ACE程序，零件的上刀量、加工参数全部固定在数控程序中，确保了零件加工的一致性。
经过几次试验后，我们基本确定了合理的走刀方式以及加工参数，并固定在数控程序中。走刀路线为：走刀方向沿盘心向外，切削深度为粗加工0.4 mm，精加工0.2 mm，切削线速度为40 m/min，进给量为0.15 mm/r。实践证明，以上加工参数在保证加工安全的情况下，提高了加工效率，且切削零件表面状态良好，取得了很好的加工效果。
3 篦齿结构变形的控制方案
相对于零件辐板处的变形而言，篦齿结构的变形较为规律。上文中我们提到过，篦齿结构的变形情况主要为篦齿尖宽度较理论宽度宽0.05 mm～0.2 mm，且越低的齿尖让刀现象越严重。我们参考以往的加工经验并分析研究得出，这种变形主要是零件刚性较弱以及刀具磨损共同导致的。
对于这种变形情况，我们通常通过程序控制来消除。篦齿处的数控车加工分为粗车和精车，粗车在外圆面加工出齿形轮廓，并给最终尺寸留出0.25 mm余量，然后由精车形成最终尺寸。我们将粗车余量减少至0.15 mm，以通过减少切削量的方式降低精车时刀具的磨损;再将预变形量添加到精车程序中，也就是在理论尺寸之上偏移变形量，得到新的轮廓，再按该轮廓编制程序。经过2次迭代加工验证，最终将篦齿齿尖宽度尺寸控制在理想的公差范围内。
4 结语
通过以上的讨论，我们分别针对篦齿盘零件辐板和篦齿处易变形的结构制定了不同的控制方案。经过实际加工验证，零件易变形部位变形情况均得到控制，所有尺寸均达到合格状态。由此可得，我们的篦齿盘机械加工变形控制方案合理有效，改善了零件质量，提高了加工效率。此外，在航空发动机零部件中，具有类似材料及结构的零部件不在少数，以上变形控制方案同样可以扩展到其他零件的机械加工中。
参考文献
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