外环块类零件加工策略研究

摘 要：在各型号发动机中，都有一定数量的涡轮环块类零件，环块类零件结构复杂，加工难度大。目前，各型发动机均已尝试涡轮环块类零件的加工，新型发动机中的环块类零件结构与原型类似零件相比，不仅壁更薄，精度要求更高，结构也更加复杂。现以某型号典型外环五级转子外环底板为载体，从控制外环块切断前变形为出发点，分析影响薄壁环件变形的主要环节，找出影响环件变形的因素，制定工艺措施，控制外环块切断前的变形，为薄壁锻件类外环块零件的加工摸索出合理的工艺路线、加工方案。

关键词：薄壁环块；变形；控制措施；工艺方案

1 概述

现新型涡轮外环块采用了一种新材料铸造件（K465）。由于外环块类零件精度要求高，为大直径薄壁环块零件，整环加工存在变形，加工中容易产生震颤等，切断为段后再次产生变形。加工装夹时存在无压紧面、装夹困难，需制作一定的工装夹具以满足加工要求，但在新机研制中派制专用夹具影响加工周期又浪费，有必要进行外环块类零件加工策略研究，制定合理的加工方案、工艺路线及采用预留各种定位安装边结构方式，以解决新结构涡轮外环块零件的加工并减少切断前零件变形。

2 研究内容或试验

2.1 零件的结构特点

涡轮外环块类零件设计结构分为环块内表面焊蜂窝、环块内表面喷粉末涂层两种结构形式。一～五级转子外环底板结构特点为尺寸全部加工完成后，内表面焊接蜂窝形成组合件。

一～五级转子外环底板零件最大外径在Ф868～Ф1088.6mm之间，一级转子外环底板直径最小，五级转子外环底板直径最大，外环材料均为GH536，零件结构见图1。

2.2 影响转子外环变形因素分析

分析零件的结构特点、机加过程，存在以下几方面因素影响外环变形：

2.2.1 材料去除量大。五级转子外环底板毛料为锻件，毛料为圆柱环结构，外径：Ф1099±1mm，内径：Ф1033±1mm，精车后最小壁厚仅为1.2mm。材料去除量大，内表面最大毛料去除量为35.5mm，粗加工时切削力大，虽然在粗加工后安排了去应力热处理，去除了一部分内应力，仍然不能充分去除毛坯材料应力和加工应力，半精车后又进行车槽、铣减重槽等加工，铣减重槽时的加工余量有3.5mm，去除量仍然很大，车铣型槽后产生了二次加工内应力蓄积在零件内部，经过线切割分段后，加工应力释放，环块变形。

2.2.2 系统刚性弱，加工过程易产生变形和让刀现象。五级转子外环底板尺寸大、壁薄，精车车削时系统刚性差，加工时存在让刀、振动等现象。若车削夹具仅采用简单的止口定位、压板夹紧结构，只能起到简单定位、压紧作用，没能增加切削系统刚性，加工后零件将产生变形，装夹方式也是造成零件变形的因素。

2.2.3 切削走刀路径的安排。零件大端正、反端面均有环槽，精车时应合理安排切削走刀路径，若切削走刀路径不合理，将影响零件切削加工后内部残余应力的状态，使应力释放后，零件变形增大。

3 工艺试验

3.1 工艺路线安排

根据上述分析结果，结合薄壁环形件的加工模式，五级转子外环底板工艺路线安排如下（其余一～四级转子外环底板主要工序工艺路线相同）：毛料――粗车一端――粗车另一端――稳定处理――修基准――半精车一端――半精车另一端――精车一端――铣加工半圆槽及钻孔――去毛刺――精车另一端――铣加工小端面槽――去毛刺――洗涤――中间检验――线切割――去重熔层――洗涤――终检

3.2 关键工序分析

精车一端工序加工内容见图2（为加粗轮廓线），机加后径向壁厚仅有1.4mm，内孔及外圆对基准面均要求跳动0.05，同时需加工出正、反两处环槽，工序加工余量为1mm（环槽处除外），工序加工表面多，是形成最终型面的工序。本工序减少变形的关键是切削走刀路径的安排。实际加工选用数控设备，在意大利立车（PIETRO）上进行。加工去除内表面和外表面余量时，采用分层均衡去除余量的方式，并采用对称去除内、外加工余量的方式；切削相邻的表面时采用相对或向背的走刀方向，精车一端实际切削走刀路径见图2。为防止车环槽后外侧搭头，将内、外径及端面各留有0.1mm的加工余量，加工完上表面环槽后，先加工根部⑨，再按走刀路径规定方向加工部位⑩，最后再按规定的走刀路径去除内、外表面0.1mm的加工余量，可达到减少变形的最佳效果。

精车另一端工序加工内容见图3（为加粗轮廓线），机加前径向壁厚仅有1.4mm，壁厚薄，现内型面已加工完成，因零件的椭圆变形，本工序加工难点为保证与已加工面的尺寸1.2±0.07（序号⑨）。为使零件达到一理想状态后再车加工，应使用带有径向辅助支撑的夹具支撑内表面D，且夹具支撑面的高度应达到零件轴向高度的三分之二。系统刚性增加的同时消除零件椭圆变形，按此状态车加工零件，加工后可满足1.2±0.07的尺寸公差要求。铣加工小端面槽工序即铣减重槽时也应采用同样的支撑装夹方式，以保证减重槽尺寸公差。

4 结束语

外环块类零件加工研究选择了五级转子外环底板为典型件，通过对其工艺规程的优化、走刀路径的优化研究，带有径向辅助支撑的夹具使用，对粗加工及半精加工过程的控制，变形状态达到了预期的效果。新型涡轮外环块采用了一种新材料K465（铸造环块），针对K465材料硬，难切削加工的特点，通过对工艺路线进行改进，工艺规程中增加线切割内圆及线切割外圆工序，去除大部分环块加工余量，留有小余量后再进行车削加工，以提高加工效率，降低刀具成本。