环形薄壁铝合金机匣钻铣加工研究

摘 要：某环形薄壁件属于航空发动机特别重要的零件，属易变形的典型转子件，若破坏会造成很危险的结果。采用铝合金锻件的环形薄壁件尺寸规格为φ900×700，厚度4.19-2.6mm，其配合尺寸要求严格，精度高，表面粗糙度低，技术条件要求严格，外型面与壁厚均靠多处坐标值控制，但其刚性非常差，加工时容易变形，局部接刀处容易造成转接不圆滑，加工材料昂贵，就环形薄壁件的结构特点，对其进行工艺研究很有必要。

关键词：环形薄壁件；重要特性；铝合金；钻铣削加工

1 环形薄壁件钻铣加工工艺

环形薄壁件对航空发动机的可靠性与使用寿命有很大的影响，环形薄壁件类零件典型加工工艺对保证零件最终加工精度、表面质量以及工作可靠性至关重要，也是零件整个制造工艺中的技术关键。由于此环形件具有不均匀薄壁的型面，一端封闭，又要求在其敞口的大端上径向、轴向同时加工多组孔。在传统的普通设备上很难完成其技术要求，因此选择一些有效的加工手段是很有必要的。数控设备的出现有效的解决了这些难点，避免大量工装的制造，又可减少制造周期，节省大量的人力、物力、财力。

1.1 环形薄壁件制造研究的必要性

1.1.1 变形大

此零件的构形特殊，且待加工面的止口尺寸及孔尺寸均为重要特性，并且尺寸要求严格，造成许多加工方面的困难，如薄壁、敞口、壁厚不均匀等。因此，此零件的钻铣加工困难较大，且随钻铣加工铣削走刀方式及余量分布状态的不同，变形量的变化规律不易控制，给生产加工带来很大压力。

1.1.2 材料易切削变形尺寸难控制

铝锌合金锻件AMS4141的特性：AMS4141铝锌合金材料是所有铝合金中最容易变形，也特别容易受腐蚀，空气中易氧化，容易热障冷缩，不好测量，又由于零件大，壁厚不均匀，且大端敞口，钻铣加工时，加工面的止口极易涨或缩至超差，造成零件最终报废。这就要求加工者加工时注意余量去除方向及去除状态，并浇注冷却液，掌握温度变化对零件尺寸影响规律，满足图纸要求的尺寸。

由于以上原因，加强、提高此零件的钻铣削加工质量、保证制造合格率、提高制造水平的研究是非常必要的。

1.2 尺寸精度及技术要求

1.3 钻铣加工工艺分析

工艺性分析可以看出，零件无定位面，装夹面特殊，加工孔种类多加工位置复杂，普通钻铣床加工夹具数量多且技术条件不能保证等原因，需用数控加工中心完成。制定正确的加工工艺路线，对避免环形薄壁件在加工和工序周转中的变形起着重要的作用。

（1）工序安排原则：a.将零件的整个加工过程划分为铣凹陷阶

段、钻孔及铣凹陷阶段。b.采用工序集中原则，使零件的大部分尺寸，集中在零件的一次装夹定位中完成，这样可以减小由于零件的多次定位、夹紧而引起的零件变形并避免重复定位误差，同时可保证各组孔与基准孔间位置度及同组孔之间技术条件要求。

（2）选用刚性好、功率大、精度高的数控加工机床。

（3）较大的孔先用硬质合金钻头钻底孔，然后采用硬质合金铣刀进行轮廓铣精加工。

1.4 确定加工方法及走刀路线

走刀路线的安排原则：尽量减少进、退刀时间和其他辅助时间；先钻底孔，再进行轮廓铣加工槽，外端面孔与内端面孔交替加工，径向孔中同一组孔，采取外面加工-里面加工交替进行的方式控制止口B的变形量。经过反复试切，用八把刀可完成数组孔的加工。先用合金钻头钻底孔，然后改用轮廓铣加工槽和较大的孔。

1.5 工装结构设计和措施

（1）遵循基准重合原则；即：工艺基准（定位基准，测量基准）尽可能地与设计基准相重合，这样以便消除基准不重合误差，容易保证设计尺寸公差，避免由于基准不重合而带来的不必要的加工难度。增加辅助支撑，提高零件的刚性。另在接触面上还使用了夹布胶木，起到了很好的减振作用，也降低了零件受腐蚀性。

（2）合理设计夹具与零件定位表面配合间隙。在加工中，因为零件的刚性差，因此，所使用的夹具的定位表面与零件的配合间隙的设计要合理，要根据工艺中各工序给出的零件定位表面的尺寸公差和型位公差，设计夹具的定位表面尺寸公差，使得零件在装夹后，既能保证零件在夹具上的准确定位，又便于加工、找正。

1.6 刀具的选择

零件的直径较大，壁厚很薄，且零件的轴向尺寸又很长，零件的刚度大大下降。在实际加工中，先选用合金铣刀窝底孔，后用轮廓铣加工成型，保证刀具切削刃与零件的接触面积不大，使切削力均匀，零件加工质量较好，零件变形得以控制。

1.7 切削参数的选择

合理选择切削用量对提高刀具耐用度和工件表面质量至关重要。因此，在选择切削用量时，应综合考虑工件、材料、刀具、机床各方面因素对加工质量、生产率、刀具耐用度的影响。从降低切削温度、提高刀具耐用度的角度出发，选择切削用量时，应优先考虑采用较大的切削深度，其次是较大的进给量。因铝合金易切削，传导性好。先考虑较大的转速，其次较大的进给量。

选用的切削用量：S=500-800r/min，进给量f=300mm/min，切削深度ap=0.5-1mm。

1.8 刀具长度、半径补偿设定

刀具长度补偿方法为：对刀仪法，利用对刀仪对刀可找出数控机床所需要的刀具补偿尺寸，操作者可直接修改数控系统中的补偿参数。

刀具半径补偿，在程序编制时合理地使用指令G41、G42和G40，即可建立刀具半径补偿。

1.9 上刀方法

通过改变刀具长度补偿坐标值上刀。将数控系统中刀具长度补偿栏内1号、2号、3号刀的长度补偿坐标Z进行修正，使刀具在整个坐标系中进行平移。

一般情况下，按对刀仪对刀和刀补中上刀，可加工出合格产品。但在实际加工中，不可遇见的问题会经常出现。为了加工出优质的精品，防止对刀仪不准确和零件加工中出现了让刀，操作者需边加工边测量，才能做到精益求精。

2 环形薄壁件机械加工的发展趋势

铝合金在航空装备上得到越来越广泛的应用，因此铝合金加工的研制迫在眉睫。铝合金薄壁件还有许多型面有待研究在数控设备上进行开发，特别是新机研制件，这样即可减少研究经费，避免大量工装的制造，又可减少制造周期，节省大量的人力、物力。