航空封严零件孔及圆弧槽加工工艺

黄强

中国航发西安航空发动机有限公司 陕西西安 710021

1 序言

航空封严零件是航空发动机的重要组成部分，先进封严技术在满足发动机诸多性能，如耗油率、飞行成本、推重比、发动机及其部件寿命以及降噪等方面都起到了关键作用，其密封性能直接影响发动机增压比和涡轮效率[1]。航空封严零件孔及圆弧槽铣削加工余量较大、尺寸公差严格，精度要求高、相对刚度低、加工工艺性差，航空封严零件在孔及圆弧槽加工过程中突出的问题是控制加工变形[2]。

本文通过对不同的孔加工方法引起的加工变形进行对比分析，选择变形较小的孔加工切削工艺，并通过选择稳定、可靠的定位装夹方式，设计适用于航空封严零件孔铣削加工辅助支撑夹具，优化加工程序及切削策略，改善零件切削状态，提高零件定位刚性及加工精度，控制航空封严零件孔及圆弧槽加工引起的变形。

2 零件材料及结构特征

2.1 材料分析

本文研究的航空封严零件材料为MSRR7035镍基高温耐热合金，其结构为旋转件（见图1），材料Ni-20Cr-20Co-5.9Mo-2.1Ti，该高温合金经固溶沉淀处理，材料硬度≥229HBW，MSRR7035镍基高温耐热合金是一种高强度、高硬度镍基合金，在高温环境下性能稳定。其切削性能差的主要原因：①弹性变形大，切屑在前刀面上的滑动摩擦大，加工后零件表面回弹量大，刀具后刀面与零件摩擦严重。②材料黏性大，切削过程中不易断屑。③切削区域温度高，材料的导热性差。

图1 零件

2.2 零件结构分析

航空封严零件端面均布多处孔及圆弧槽，孔所在端面的外径437mm，端面厚度4.95mm，端面悬伸25mm，零件端面均布44处孔（见图2），孔径（15.04±0.02）mm，孔位置度0.10mm，孔口上端倒角60°±2°，孔口下端倒角（0.35±0.15）mm×（45°±2°）。端面外缘分布38处圆弧槽，圆弧槽尺寸R（10±0.025）mm，位置度0.1mm。

图2 孔及圆弧槽示意

在孔及圆弧槽加工过程中，切削部位产生大量的切削热，切削材料受挤压产生形变，在切削区域产生较大的切削抗力，刀具磨损严重，端面加工后变形严重。

2.3 零件特征说明

1）精度高。孔径公差严，位置精度要求较高。

2）刚性差。孔及圆弧槽加工后，端面材料去除率约90.1%，加工后零件刚性差。

3）工艺性差。端面悬伸长、孔加工时端面受力容易变形。

3 孔加工工艺及边缘毛刺处理

3.1 钻孔加工

在钻削过程中，钻头的受力主要包括零件材料的变形抗力、钻头与孔壁及切屑间的摩擦阻力等。由于钻削时的带状切屑是整体产生的，切屑相互牵扯，所以引起明显的切削附加变形。钻孔时，钻头刃部上各点的切削速度均不相同，前角、刃倾角和后角的切削变形也不同。钻头的切削刃从外缘到钻尖，切削变形逐渐增大。这使得航空封严零件在钻孔加工时，零件端面在这些力的作用下产生较大的横向弯曲、纵向弯曲以及扭转变形[3]。

对于航空封严零件端面孔及圆弧槽加工来讲，钻削加工不仅会引起明显的加工变形，还存在以下问题：其一，在钻孔时，钻头中心的线速度为0，钻头中心不参与切削，零件端面孔的中心区域材料要完全依靠钻头向下的推力将其挤出去，钻头所承受的轴向力很大，当加工高温合金等难加工材料时，钻头会快速磨损失效。其二，钻孔时钻头连续切削，钻头刃部始终与工件相接触，切削时接触面温度很高，而高温合金的导热性差，连续的切削过程使切削区域的温度不断升高，刀具磨损变快，加工表面质量较差。其三，钻孔过程中，切屑从钻头狭槽中排出，排屑速度慢，切削热不能及时疏散而留在了工件和刀具上，加速刀具的磨损。另外，钻孔后切屑排出孔时，会划伤已加工表面，影响孔的表面质量[4]。钻孔加工边缘的圆弧槽时，钻削过程为非完整切削，钻头会出现明显摆动，圆弧槽加工后尺寸稳定性差，且切出端毛刺较大[5]。

由此可见，加工航空封严零件端面孔及圆弧槽时，钻削加工时零件受轴向切削力较大，加工后零件变形大，同时钻头的磨损严重，加工表面质量差[6]。钻孔加工往往无法直接满足零件精度要求，需配合扩孔、镗孔或铰孔等方法来保证零件尺寸公差要求，钻孔后去毛刺工作量大，从而降低了工作效率，提高了加工成本[7]。从控制零件加工变形及稳定产品质量角度考虑，钻孔工艺不适合本文所述航空封严零件孔及圆弧槽加工。

3.2 螺旋铣孔加工

螺旋铣孔是一种结合了铣削与钻孔的复合加工方式[8]。螺旋铣孔过程由刀具的“自转”、刀具绕孔中心轴线的“公转”以及刀具沿孔中心的轴向进给这三个复合运动组成（见图3）。

图3 螺旋铣孔示意

螺旋铣孔加工航空封严零件有以下优点。

1）铣刀中心的刀轨是螺旋线，不同于钻孔加工的直线进刀，螺旋铣孔加工时，铣刀的中心与被加工孔的中心位置不重合，属偏心加工过程。螺旋铣削时，由于金属材料被分层去除，单位面积去除的余量较小，切屑剪切滑移离开零件本体的抗力较小，所以螺旋铣孔切削力较小，零件产生的变形小。

2）螺旋铣削时，铣刀的直径小于被加工孔的直径，铣孔加工可以用一种刀具加工不同直径的多个孔，铣孔加工不仅提高了加工效率，同时减少了刀具种类，降低了刀具库存，节约加工成本。

3）螺旋铣孔工艺方法属于断续切削，螺旋铣削时刀具与被加工孔间隙大，冷却条件好，切削过程有利于刀具的散热，减小了因局部温度过高导致刀具快速磨损而引起的加工变形，提高了加工精度。

4）螺旋铣削加工排屑状态较好，切屑一般为碎片状，不易缠刀，排屑过程中不易划伤加工孔的表面，螺旋铣削后孔表面质量高。

5）螺旋铣孔加工时，铣刀侧刃的背吃刀量总是从零开始，逐渐线性地增大至规定值，每层螺旋进刀循环的侧刃最大背吃刀量与螺旋进刀深度有关，适当调整切削进给及螺旋切削深度，可最大限度地减少或消除刀具让刀，使被加工孔上、下直径稳定一致。

加工圆弧槽时，由于圆弧槽属于半开放结构，使用螺旋铣削平稳性差，所以刀具切削容易崩刃。圆弧加工可使用仿形切削，在切入端及切出端增加圆弧进退刀，圆弧槽铣削应使用侧刃切削，轴向深度一次加工到位，避免轴向分层切削出现刀具崩刃。

3.3 边缘毛刺处理

航空封严零件螺旋铣孔及圆弧槽铣削后，在孔上端表面、下端出口面及圆弧槽表面过渡处出现各种尖角及毛刺，直接影响被加工工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。毛刺的产生主要由于切削过程中塑性变形区大于切削层厚度，所以通常情况下，切入进给方向毛刺较小，而切出进给方向毛刺比较大[9]。

在螺旋铣孔后，使用60°倒角铣刀去除切入端毛刺，并完成孔口上端倒角60°±2°加工，使用反倒角铣刀去除切出端毛刺，保证孔口下端倒角（0.35±0.15）mm×（45°±2°）尺寸（见图4）。圆弧槽铣削后，圆弧槽上端使用45°倒角铣刀去除尖边毛刺，圆弧槽下端使用45°反倒角铣刀去除毛刺，铣削去毛刺前、后的效果如图5所示。

图4 倒角刀与反倒角刀

图5 铣削去除毛刺前、后对比

3.4 钻孔与螺旋铣削对比

MSRR7035高温合金是典型的难切削加工材料，通过现场试切，分析钻孔与螺旋铣削加工后零件变形、加工精度、表面粗糙度、刀具磨损及毛刺形态，确定螺旋铣削为控制航空封严零件孔加工变形的首选加工方案。

（1）零件变形 在钻削过程中，钻头的受力主要包括克服零件材料的变形抗力及钻头与孔壁及切屑的摩擦阻力。加工时，钻头在转动的同时进行轴向切削，钻头横刃的副前角较大，无容屑空间，切削速度低，钻孔时会产生较大的轴向抗力。钻孔加工后，通过三坐标检测端面平面度，分析加工前后端面变形量为0.15～0.20mm，零件变形较大。

螺旋铣削时，金属材料被分层去除，铣刀与被加工孔间隙大，冷却条件好，切削过程有利于刀具的散热，刀具磨损较小，螺旋铣孔切削力较小，零件产生的变形小。三坐标检测螺旋铣孔后零件端面的平面度，铣削前、后端面变形量为0.06～0.10mm，零件变形小。

（2）加工精度 钻孔试切后，检测已加工孔的尺寸精度，孔径尺寸一致性差，钻孔加工孔公差偏离要求较大，孔径一次性合格率低于50%，孔的位置度可基本满足要求。螺旋铣削加工后，孔径尺寸稳定性好，孔径均满足图样要求，孔径合格率90%以上，位置度全部合格，螺旋铣削的加工精度高于钻削加工。

（3）表面粗糙度 分别对钻孔和螺旋铣削后的孔表面进行表面粗糙度对比检测，结果显示，零件钻削加工孔的表面粗糙度值Ra为1.6～3.2μm，螺旋铣削孔的表面粗糙度值Ra为0.8～1.6μm。从切削实验现场观察来看，钻削加工刀具承受轴向力较大，加工过程中出现振动现象；钻削时带状切屑从钻头两侧槽中排出，容易划伤已加工孔的表面，导致表面粗糙度较差。螺旋铣削过程平稳，冷却条件好，排屑充分，加工后可以得到较好的表面质量。

（4）刀具磨损 在进行航空封严零件钻孔试切和螺旋铣削试切时，在加工过程中均设置了换刀点。由于钻削加工受力较大，且切削液无法对切削区域进行有效冷却，所以切削排屑状态较差，钻孔加工时钻尖部分磨损较大。螺旋铣过程中，冷却充分，同时切削液从孔内排出时一起将切屑带出，改善了刀具的切削加工条件，延长了刀具的使用寿命，铣孔加工后刀具磨损正常。

（5）毛刺形态 分析比较钻孔和铣孔两种孔加工方式产生的毛刺形态，发现螺旋铣削无论是孔的切入端还是切出端，产生的毛刺尺寸都很小；相反钻孔加工，其孔边毛刺则明显大于螺旋铣削产生的毛刺。

钻削加工在孔口两端产生非常明显的毛刺和翻边，且切出端毛刺尺寸较大，对去除毛刺带来很大不便。螺旋铣孔由于切削力较小，所以孔口金属的塑性变形也较小，铣孔后在孔口两端均产生较小的毛刺，使用倒角刀可轻松完成毛刺的铣削去除。

除此之外，使用螺旋铣削加工技术，可以代替钻孔加工的定尺寸刀具，用一种铣刀可以加工不同直径规格的孔，铣孔加工可以部分代替扩孔、铰孔工序，铣削加工可以完成倒角及尖边倒棱处理，去除铣削加工产生的毛刺和翻边，特别适用于小批量试制生产任务，对缩短研制周期，节约加工成本有重要意义。

4 定位装夹

控制航空封严零件孔及圆弧槽加工过程中产生的变形[10]，除选择合适的切削方法外，还应选择合理的定位装夹。分析零件结构特点认为，导致孔及圆弧槽加工后零件端面变形的主要原因是：零件端面材料去除率高，端面悬伸长，孔加工时零件刚性差，加工时端面受轴向力容易变形。

对于涉及孔和圆弧槽加工的零件，其定位方法很多，但对于刚性较差零件，其外形机构特殊，对被加工部位无法形成固定支撑，常规定位夹具无法对零件端面下方及边缘进行固定定位，零件在孔加工时端面下方悬空，受力向下凹陷产生变形，零件边缘圆弧槽在加工后会发生翘曲变形，零件在加工后变形无法修复[11]。因此，为提高航空封严零件孔及圆弧槽加工的可靠性，减小零件在加工时产生的变形，选择零件端面槽的底面及内孔作为定位面，压紧上端槽底面，在孔加工端面下方设置辅助支撑（见图6），改善定位状态，控制零件铣加工后变形的目的。

图6 零件定位装夹示意

航空封严零件辅助支撑夹具通过设置定位环（见图7），使零件下方端面槽的底部与定位环的上端面贴合，零件端面槽的内孔与定位环的外圆贴合，勾型压盖压紧零件上端面槽（见图7）。勾型压盖与限位销配合，以此消除或减弱勾型盖板与零件上端面槽的定位间隙，从而提高勾型盖板与零件的配合精度。

夹具通过设置左右两个半环，转动支撑螺钉调整每个半环的支撑高度，使半环上端定位面与零件端面的下端面贴合，使用0.02mm塞尺对半环与零件定位面的贴合度进行检查。每个半环设置5个支撑螺钉及2个定位销（见图7）。定位销可防止半环沿水平方向滑动，这种半环辅助支撑结构可以有效消除或减弱零件定位面与半环定位面之间的定位间隙，从而提高零件与半环的配合精度，提高零件端面刚性，有效解决零件孔及圆弧槽加工时的变形问题。

5 程序优化及试切效果

螺旋铣孔加工选用φ10mm硬质合金涂层铣刀，有效切削刃长10mm，为了提高刀具夹持刚性，夹持长度应尽可能短。铣刀安装后，应在对刀仪上检查端齿和周齿跳动在0.01mm以内，螺旋铣孔及倒角加工程序刀轨如图8所示。

零件孔及圆弧边铣削过程中，为了保证尺寸精度及稳定性，加工程序中设置了换刀点。铣削中途换刀后，为了快速定位到换刀前加工的孔位置，采用参数化编程，#1为要加工的目标孔计数，零件首孔默认为1，更换刀具后，将#1改为要加工的孔的顺序号，程序通过坐标旋转计算即可按顺序接着加工后续未加工的孔，程序为：

现场对同批次零件各抽取10件进行试切试验，通过对不同方法加工后产生的零件端面变形进行三坐标检测，对比钻孔加工及铣孔加工前后零件端面的变形量及加工后尺寸合格率。铣孔加工由于金属材料被分层去除，铣削冷却条件好，螺旋铣孔切削力较小，所以零件产生的变形小于钻孔加工（见表1）。零件在定位装夹时使用辅助支撑夹具，铣孔加工后端面变形小，满足图样要求。

表1 不同方法孔加工变形量及合格率

6 结束语

通过对比不同孔加工工艺，选择切削力较小、切削平稳且通用性较强的螺旋铣孔方法进行孔加工，通过对零件结构特点进行分析，设计了适用于航空封严零件铣削加工的辅助支撑夹具，优化了加工程序，并进行了试切验证，有效控制了航空封严零件孔加工变形，提高了零件加工合格率。