高精度高温合金薄壁双翼安装边盘件控制变形的加工方法与流程

本发明涉及高温合金机械加工领域，特别涉及了高精度高温合金薄壁双翼安装边盘件控制变形的加工方法。

背景技术：

在机械加工技术中，特别是在高精度高温合金双翼安装边薄壁盘件工件的加工制造中，变形问题一直是一大技术难点，严重影响工件的合格率。此类高精度工件在以前从未加工过，是首次接触，没有类似可借鉴的加工工艺。高温合金盘件工件是关键件，壁薄，最小壁厚为2.3mm，具有榫槽结构，尺寸精度要求高，技术条件要求严，工件加工时易变形。设计要求安装边端面全跳动、榫槽端面跳动自由状态下为0.05mm等，按原工艺加工后，工件易产生变形。工件材料为高温合金，属难加工材料，按照以往的加工方式加工，盘件工件总存在很大的变形，超差率高达60％，合格率为40％，已经严重影响到工件的合格交付，控制盘件工件变形已经成为一个亟待解决的技术瓶颈，急需研发一种高精度高温合金双翼安装边薄壁盘件变形的控制方法。

技术实现要素：

在控制高精度高温合金双翼安装边薄壁盘件变形是一大技术难点，带双翼安装边薄壁盘件变形很难控制，以前从未有过类似加工经验，本发明目的是提供一种能减少高温合金双翼安装边薄壁盘件变形的工艺方法，突破高温合金薄壁盘件变形的技术瓶颈，保证盘件工件加工的顺利进行，为以后类似工件的加工提供了可借鉴的经验。

本发明提供了高精度高温合金薄壁双翼安装边盘件控制变形的加工方法，其特征在于：具体为，

一、工艺路线对工件变形的控制

确定工艺方案：因为工件属于薄壁件，在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形。

工艺路线是粗车→细车→精车→标印，清洗→中间检验→消除应力热处理→荧光检查→磨加工→轮缘端面车加工→喷丸→喷丸后磨加工修复端面，粗车去除余量大，加工应力大，对工件后续加工影响较大；精车工序按传统的工序安排，不能有效的修正变形；修复工序只安排喷丸后修复，有可能会应变形量大、可修复余量小，造成超差。

统计盘件加工喷丸和热处理工序后型面超差情况变化，对于工件可修复的安装边尺寸，允许修磨量不大于0.1，为避免在喷丸和热处理工序加剧原有趋势下的变形，增加了喷丸前磨加工修复工序，见图2。

因喷丸后除设计图规定部位允许修复外，其余部位不允许修复，因此在喷丸前需对易超差尺寸进行修复。工件榫槽两侧跳动有0.05的跳动技术条件要求，并且在喷丸后对工件允许修磨部分进行修磨时，需要将两侧榫槽端面作为装夹基准，为保证工件后续修磨精度，减少跳动对工件关重轴向尺寸的影响，在喷丸前增加车加工修复工序，见图3。

二、确定防变形夹具结构：

研究确定工件装夹方式，改进夹具装夹方案，拉榫槽采用加强刚性防变形的专用夹具，解决工件加工时引起的变形问题。

由于盘件在完成精加工后最大外径比较大，最小壁厚为2.3mm，刚性差，拉槽原夹具刚性差拉削加工时引起工件变形，导致工件超差。同时盘件的榫槽数量多，双翼结构拉槽后工件变形较大，极易造成工件变形，并且设计图对工件榫槽端面有0.05的跳动要求，在拉削后难以保证。为了减少工件变形，对工件的夹具进行了改进。为增强拉槽夹具的刚性，在拉槽加工时采用加强盖，压盖压紧方式进行装夹。

盘件拉榫槽一般采用的通用结构为底座压紧的装夹方式，外形如图3示，采用在拉削榫槽面支撑，上部压紧的方式。受双翼盘件结构包含斜度较大的支撑斜壁限制，导致压盖压紧接触面短，压盖结构刚性差。

工件榫槽拉削属于大范围金属切削，拉削力较大，压紧结构的局限使工件更易变形。为保证工件的压紧质量，提升压盖的结构强度，增加了如图4示的榫槽夹具加强盖，在原有夹具基础上装夹夹具加强盖，增加工件夹具的刚性，减小拉削后的工件变形。加工后榫槽端面跳动从0.03～0.09减少到0.03-0.05。

考虑到盘件生产数量大时，为减小工件拉榫槽时产生的变形，保证榫槽拉削质量，提高装夹工件刚性和效率，把增加夹具加强盖的装夹方案改为整体结构，不仅将夹具压盖上的孔径6-φ150减小6-φ80，并在相邻两孔之间增加加强筋结构，提高了压盖刚性及强度，改进结构如图6所示，减小工件在拉榫槽过程中产生的位移，降低拉榫槽时工件的变形。夹具改进后，在工件加工过程工件变形减小，测量后跳动等符合设计图要求。

三、优化走刀路线、切削刀具、加工工步及参数；

刀具半径过小，切削深度对应也很小，切削效率不高，并且因为材料很硬的原因非常废刀片，刀具半径过大，切削接触面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的变形。根据工件状态，结合实际情况，最终适合的刀具；转速高，进给量大，虽然可以提高切削效率，但是在单位时间内切除的材料多，工件热传导不充分，累积的机加应力也大，很容易导致薄壁件变形。切削深度受刀具半径制约，并且切削深度将直接影响工件受到的切削力，且为了减少切削力对薄壁件的影响，切削深度也不宜过大。在满足加工精度的前提下，选择合适的切削参数。

具体试验工件的主要加工步骤如下：

1、半精车

盘件毛料为实心腔锻件，半精车加工去除余量大，加工应力引起加工变形致使工件超差现象严重。半精车内腔是工件加工中的难点和关键，此前工件由于需要进行超声波探伤，超声波探伤盲区余量大，并且要求工件形状尽量简单，这样就造成工件的外轮廓直径方向加工余量大，一些特殊部位如：典型的深型腔部位，完全是实心结构，加工余量就更大，加工应力引起加工变形致使工件超差现象也更加严重。这对加工非常不利，因此，工艺在粗车工序增加了型腔去余量，就是尽可能减小后续加工变形。在半精车加工阶段，不能简单采用四爪夹盘径向夹紧工件的方式，必须采用轴向定位、压紧方式，采用专用工装进行加工，减小装夹变形。

根据结构尺寸，选择刀具的类型，以不干涉和保持刀具最优强度情况下选择刀具，并用仿真软件进行程序模拟，采用最优的走刀路线，减少加工应力，控制工件变形且有利于排屑和断屑。在接刀部位，沿圆弧进、退刀，保证接刀部位圆滑转接，保证工件的加工质量及表面粗糙度。

在借鉴上述对工件变形因素的分析结论的基础上，在无人干预程序车削加工试验中，充分考虑了最大程度的保证整个加工过程的连续性，并尝试总结出最优的切削参数并固化在程序当中。

1.1装夹方式

盘件半精加工装夹方式，如图7所示，借用现有工艺中的车基准工序的夹具，采用压板压紧一侧的法兰，该装夹方式可使盘件之间在转序转产时实现零准备时间，同时有效提高了工件装夹精度。

1.2刀具结构的优化

在借鉴现有刀具结构的基础上，结合数控立车可在正负两个方向上加工的特点，由刀具商专门设计了可双面使用的专用非标刀具，具体如图8所示。该刀具采用了连接刚性更强的capto结构，具有内部冷却通道，冷却液可以通过设置在抵近切削区的喷管准确地喷射在切削区，达到强化冷却的效果。

1.3半精加工编程

因半精加工需要去除的余量较大，而且法兰内型腔封闭，在半精加工的无人干预程序编程时大量使用了切削力较小的摆线车削方式。这种车削方式最大限度地避免了切削过程中的打刀现象，使整个加工过程连续，同时实现了高温合金材料的高速高进给加工。配合上述专用非标刀具的使用，半精加工过程中经常是使用右侧刀片在x轴正向加工完指定部位后，机床主轴直接切换到反转使用左侧刀片在负向加工指定部位，加工模拟轨迹如图9所示。

采用无人干预程序加工后，工件的加工切削量均匀，避免人为干涉因素，减少半精车加工变形。

2花边数控程序优化加工

铣花边是对工件安装边进行的大范围材料去除，由于工件铣加工是对安装边大部分材料的去除，铣削后安装变极易出现上下起伏式跳动变化，从前铣花边采取轮廓粗铣的形式一次去除大部分材料，通过留取0.2余量进行精铣保证尺寸的方式进行。采用轮廓去花边的方式工件安装边会产生和花边形状相似的大块余量一次性去除，切削应力大，切削后工件表面质量不好，并且切削效率低，在加工中对花边的人工干预过多，人为输入刀补增加了加工风险。针对这种情况，对工件花边的数控加工部分进行了优化，采取了多次分层刀心去除余量的形式，避免一次性大余量的切除，同时采用全过程无干预数控程序，减少了工人对数控程序操作的风险，切削刀具由普通铣刀改为切削效率更高的密齿铣刀，极大的提高了加工后工件的表面质量及加工效率。

设备选用数控四坐标加工中心，刃具采用ф8直径密齿铣刀

(1)铣削加工参数

粗铣：n＝1400r/min、f＝788mm/min、ap＝10％d＝0.8mm、at＝4mm

精铣：n＝1400r/min、f＝350mm/min、ap＝0.1mm、at＝4mm

粗铣给精铣留余量0.1mm。

(2)铣削加工走刀路线

原铣削加工走刀采用轮廓走刀形式，加工过程中会出现工件材料去除余量“掉块”的情况。

优化后的铣削采用刀心编程方式进行分层铣削，比原来的轮廓编程“满刀”切削方式切削力降低，既减少了操作者的干预程度，又有利于变形控制；同时每加工10个槽刀具下降3mm，最后利用刀具全新未磨损部位进行精加工，既有效利用了刀具长度，又保证加工精度。

(3)加工效率对比

36个槽粗铣时间62分钟，精铣10分钟，共72分钟。

原轮廓程序粗加工为90分钟，精铣40分钟，共130分钟。

节省时间58分钟。

(4)变形测量

加工前：端面跳动0.05mm(含机床自身误差有0.05mm)。

加工后：端面跳动0.05mm，径向拉伸跳动0.05mm。

加工前后，变形情况无明显变化，对比轮廓程序加工后0.1的跳动差值表明全自动刀心分层铣削的方法可以有效的减少铣削过程中大余量去除产生的工件变形，同时通过密齿铣刀的应用，有效的提升了切削效率，提高了工件的加工质量

使用成型刀具完成花边边缘处理，实现工件尖边倒圆的机械化，提高工件边缘加工后尺寸的一致性。尖边倒圆改变原有的手工抛光方式，利用加工中心及适合结构的铣加工刀具完成花边边缘倒圆加工，刀具如图10所示：

3、喷丸试验

针对盘件加工变形问题，从喷丸强化方面进行以下试验：

盘件结构为轮毂至外圆距离短，带有双侧安装边的类环结构，工件结构导致了加工的必然变形现象，要解决变形问题，需从多方面进行考虑。盘件为双侧悬臂安装边结构，两侧安装边在经过机械加工后，由于应力的累积使表面产生一定的变形，现行的喷丸工艺规程未考虑到工件机械加工的变形因素，采用常规的喷丸过程进行加工，由于工件机加变形趋势固定，而喷丸顺序的随机性，使喷丸后的工件有机会向两个方向发展，超差更多或者超差减少甚至合格，由于发现喷丸强化对工件形貌的变化起到相当大的作用，也为通过喷丸过程控制工件变形提供了条件。

盘件试件见图11，喷丸强化过程从两个方面进行改进，第一，调整喷丸强化加工顺序，主要考虑安装边内外两侧的喷丸顺序，通过前期的攻关和数据统计，掌握了安装边在机械加工后的变形趋势和变形量变化范围，按照喷丸强化导致应力转变的基本原理，应用变形补偿的方法抵消一部分应力变形，达到减少工件变形的目的。在经过多次试验后，确定了工件安装边的喷丸强化顺序，将其纳入工艺规程，对喷丸过程进行固化。第二，对现有喷丸参数及喷丸饱和值进行优化，以减少应力变形。

在经过工件实际验证后，发现其变形量基本上得到了控制，在预留少量修复余量的前提下，能够保证工件的合格交付。在其它类似盘件上同样采用以上两种改进方法，也取得了同样的效果，调整和优化喷丸参数和喷丸加工顺序，固化了喷丸专用工艺文件。

申请文件中涉及尺寸单位均为毫米。

本发明的优点：

经过采用以上步骤加工的盘件工件，自由状态下安装边端面全跳动、榫槽端面跳动等合格，合格率由40％提高80％以上，盘件变形得到了一定的控制，突破了高温合金双翼安装边薄壁盘件变形的技术瓶颈，可在同类工件中推广使用，为类似件加工提供了可借鉴的经验，提升了制造技术水平，具有深远的意义和一定的经济效益。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为盘件工件主要超差位置示意图；

图2为喷丸前磨加工修复工序示意图；

图3为喷丸前车加工修复工序示意图；

图4为榫槽夹具示意图；

图5为榫槽夹具加强盖示意图；

图6为榫槽夹具压盖改进结构示意图；

图7为半精车无干预数控程序加工示意图；

图8为capto刀杆示意图；

图9为半精车编程轨迹模拟全貌示意图；

图10为花边边缘倒圆刀具；

图11为盘件试件喷丸部位示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了高精度高温合金薄壁双翼安装边盘件控制变形的加工方法，其特征在于：具体为，

一、工艺路线对工件变形的控制

确定工艺方案：因为工件属于薄壁件，在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形。

工艺路线是粗车→细车→精车→标印，清洗→中间检验→消除应力热处理→荧光检查→磨加工→轮缘端面车加工→喷丸→喷丸后磨加工修复端面，粗车去除余量大，加工应力大，对工件后续加工影响较大；精车工序按传统的工序安排，不能有效的修正变形；修复工序只安排喷丸后修复，有可能会应变形量大、可修复余量小，造成超差。

统计盘件加工喷丸和热处理工序后型面超差情况变化，对于工件可修复的安装边尺寸，允许修磨量不大于0.1，为避免在喷丸和热处理工序加剧原有趋势下的变形，增加了喷丸前磨加工修复工序，见图2。

因喷丸后除设计图规定部位允许修复外，其余部位不允许修复，因此在喷丸前需对易超差尺寸进行修复。工件榫槽两侧跳动有0.05的跳动技术条件要求，并且在喷丸后对工件允许修磨部分进行修磨时，需要将两侧榫槽端面作为装夹基准，为保证工件后续修磨精度，减少跳动对工件关重轴向尺寸的影响，在喷丸前增加车加工修复工序，见图3。

二、确定防变形夹具结构：

研究确定工件装夹方式，改进夹具装夹方案，拉榫槽采用加强刚性防变形的专用夹具，解决工件加工时引起的变形问题。

由于盘件在完成精加工后最大外径比较大，最小壁厚为2.3mm，刚性差，拉槽原夹具刚性差拉削加工时引起工件变形，导致工件超差。同时盘件的榫槽数量多，双翼结构拉槽后工件变形较大，极易造成工件变形，并且设计图对工件榫槽端面有0.05的跳动要求，在拉削后难以保证。为了减少工件变形，对工件的夹具进行了改进。为增强拉槽夹具的刚性，在拉槽加工时采用加强盖，压盖压紧方式进行装夹。

盘件拉榫槽一般采用的通用结构为底座压紧的装夹方式，外形如图3示，采用在拉削榫槽面支撑，上部压紧的方式。受双翼盘件结构包含斜度较大的支撑斜壁限制，导致压盖压紧接触面短，压盖结构刚性差。

工件榫槽拉削属于大范围金属切削，拉削力较大，压紧结构的局限使工件更易变形。为保证工件的压紧质量，提升压盖的结构强度，增加了如图4示的榫槽夹具加强盖，在原有夹具基础上装夹夹具加强盖，增加工件夹具的刚性，减小拉削后的工件变形。加工后榫槽端面跳动从0.03～0.09减少到0.03-0.05。

考虑到盘件生产数量大时，为减小工件拉榫槽时产生的变形，保证榫槽拉削质量，提高装夹工件刚性和效率，把增加夹具加强盖的装夹方案改为整体结构，不仅将夹具压盖上的孔径6-φ150减小6-φ80，并在相邻两孔之间增加加强筋结构，提高了压盖刚性及强度，改进结构如图6所示，减小工件在拉榫槽过程中产生的位移，降低拉榫槽时工件的变形。夹具改进后，在工件加工过程工件变形减小，测量后跳动等符合设计图要求。

三、优化走刀路线、切削刀具、加工工步及参数；

刀具半径过小，切削深度对应也很小，切削效率不高，并且因为材料很硬的原因非常废刀片，刀具半径过大，切削接触面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的变形。根据工件状态，结合实际情况，最终适合的刀具；转速高，进给量大，虽然可以提高切削效率，但是在单位时间内切除的材料多，工件热传导不充分，累积的机加应力也大，很容易导致薄壁件变形。切削深度受刀具半径制约，并且切削深度将直接影响工件受到的切削力，且为了减少切削力对薄壁件的影响，切削深度也不宜过大。在满足加工精度的前提下，选择合适的切削参数。

具体试验工件的主要加工步骤如下：

1、半精车

盘件毛料为实心腔锻件，半精车加工去除余量大，加工应力引起加工变形致使工件超差现象严重。半精车内腔是工件加工中的难点和关键，此前工件由于需要进行超声波探伤，超声波探伤盲区余量大，并且要求工件形状尽量简单，这样就造成工件的外轮廓直径方向加工余量大，一些特殊部位如：典型的深型腔部位，完全是实心结构，加工余量就更大，加工应力引起加工变形致使工件超差现象也更加严重。这对加工非常不利，因此，工艺在粗车工序增加了型腔去余量，就是尽可能减小后续加工变形。在半精车加工阶段，不能简单采用四爪夹盘径向夹紧工件的方式，必须采用轴向定位、压紧方式，采用专用工装进行加工，减小装夹变形。

根据结构尺寸，选择刀具的类型，以不干涉和保持刀具最优强度情况下选择刀具，并用仿真软件进行程序模拟，采用最优的走刀路线，减少加工应力，控制工件变形且有利于排屑和断屑。在接刀部位，沿圆弧进、退刀，保证接刀部位圆滑转接，保证工件的加工质量及表面粗糙度。

在借鉴上述对工件变形因素的分析结论的基础上，在无人干预程序车削加工试验中，充分考虑了最大程度的保证整个加工过程的连续性，并尝试总结出最优的切削参数并固化在程序当中。

1.1装夹方式

盘件半精加工装夹方式，如图7所示，借用现有工艺中的车基准工序的夹具，采用压板压紧一侧的法兰，该装夹方式可使盘件之间在转序转产时实现零准备时间，同时有效提高了工件装夹精度。

1.2刀具结构的优化

在借鉴现有刀具结构的基础上，结合数控立车可在正负两个方向上加工的特点，由刀具商专门设计了可双面使用的专用非标刀具，具体如图8所示。该刀具采用了连接刚性更强的capto结构，具有内部冷却通道，冷却液可以通过设置在抵近切削区的喷管准确地喷射在切削区，达到强化冷却的效果。

1.3半精加工编程

因半精加工需要去除的余量较大，而且法兰内型腔封闭，在半精加工的无人干预程序编程时大量使用了切削力较小的摆线车削方式。这种车削方式最大限度地避免了切削过程中的打刀现象，使整个加工过程连续，同时实现了高温合金材料的高速高进给加工。配合上述专用非标刀具的使用，半精加工过程中经常是使用右侧刀片在x轴正向加工完指定部位后，机床主轴直接切换到反转使用左侧刀片在负向加工指定部位，加工模拟轨迹如图9所示。

采用无人干预程序加工后，工件的加工切削量均匀，避免人为干涉因素，减少半精车加工变形。

2花边数控程序优化加工

铣花边是对工件安装边进行的大范围材料去除，由于工件铣加工是对安装边大部分材料的去除，铣削后安装变极易出现上下起伏式跳动变化，从前铣花边采取轮廓粗铣的形式一次去除大部分材料，通过留取0.2余量进行精铣保证尺寸的方式进行。采用轮廓去花边的方式工件安装边会产生和花边形状相似的大块余量一次性去除，切削应力大，切削后工件表面质量不好，并且切削效率低，在加工中对花边的人工干预过多，人为输入刀补增加了加工风险。针对这种情况，对工件花边的数控加工部分进行了优化，采取了多次分层刀心去除余量的形式，避免一次性大余量的切除，同时采用全过程无干预数控程序，减少了工人对数控程序操作的风险，切削刀具由普通铣刀改为切削效率更高的密齿铣刀，极大的提高了加工后工件的表面质量及加工效率。

设备选用数控四坐标加工中心，刃具采用ф8直径密齿铣刀

(1)铣削加工参数

粗铣：n＝1400r/min、f＝788mm/min、ap＝10％d＝0.8mm、at＝4mm

精铣：n＝1400r/min、f＝350mm/min、ap＝0.1mm、at＝4mm

粗铣给精铣留余量0.1mm。

(2)铣削加工走刀路线

原铣削加工走刀采用轮廓走刀形式，加工过程中会出现工件材料去除余量“掉块”的情况。

优化后的铣削采用刀心编程方式进行分层铣削，比原来的轮廓编程“满刀”切削方式切削力降低，既减少了操作者的干预程度，又有利于变形控制；同时每加工10个槽刀具下降3mm，最后利用刀具全新未磨损部位进行精加工，既有效利用了刀具长度，又保证加工精度。

(3)加工效率对比

36个槽粗铣时间62分钟，精铣10分钟，共72分钟。

原轮廓程序粗加工为90分钟，精铣40分钟，共130分钟。

节省时间58分钟。

(4)变形测量

加工前：端面跳动0.05mm(含机床自身误差有0.05mm)。

加工后：端面跳动0.05mm，径向拉伸跳动0.05mm。

加工前后，变形情况无明显变化，对比轮廓程序加工后0.1的跳动差值表明全自动刀心分层铣削的方法可以有效的减少铣削过程中大余量去除产生的工件变形，同时通过密齿铣刀的应用，有效的提升了切削效率，提高了工件的加工质量

使用成型刀具完成花边边缘处理，实现工件尖边倒圆的机械化，提高工件边缘加工后尺寸的一致性。尖边倒圆改变原有的手工抛光方式，利用加工中心及适合结构的铣加工刀具完成花边边缘倒圆加工，刀具如图10所示：

3、喷丸试验

针对盘件加工变形问题，从喷丸强化方面进行以下试验：

盘件结构为轮毂至外圆距离短，带有双侧安装边的类环结构，工件结构导致了加工的必然变形现象，要解决变形问题，需从多方面进行考虑。盘件为双侧悬臂安装边结构，两侧安装边在经过机械加工后，由于应力的累积使表面产生一定的变形，现行的喷丸工艺规程未考虑到工件机械加工的变形因素，采用常规的喷丸过程进行加工，由于工件机加变形趋势固定，而喷丸顺序的随机性，使喷丸后的工件有机会向两个方向发展，超差更多或者超差减少甚至合格，由于发现喷丸强化对工件形貌的变化起到相当大的作用，也为通过喷丸过程控制工件变形提供了条件。

盘件试件见图11，喷丸强化过程从两个方面进行改进，第一，调整喷丸强化加工顺序，主要考虑安装边内外两侧的喷丸顺序，通过前期的攻关和数据统计，掌握了安装边在机械加工后的变形趋势和变形量变化范围，按照喷丸强化导致应力转变的基本原理，应用变形补偿的方法抵消一部分应力变形，达到减少工件变形的目的。在经过多次试验后，确定了工件安装边的喷丸强化顺序，将其纳入工艺规程，对喷丸过程进行固化。第二，对现有喷丸参数及喷丸饱和值进行优化，以减少应力变形。

在经过工件实际验证后，发现其变形量基本上得到了控制，在预留少量修复余量的前提下，能够保证工件的合格交付。在其它类似盘件上同样采用以上两种改进方法，也取得了同样的效果，调整和优化喷丸参数和喷丸加工顺序，固化了喷丸专用工艺文件。

申请文件中涉及尺寸单位均为毫米。