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摘要：通过对静子环及其组件加工的研究，对于异形高精度薄壁件的加工路线及工艺参数的制定形成较为完备的解决方案，提高了产品质量和合格率，缩短了新品研制周期。
关键词：薄壁件;加工精度;变形;涂层中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-07-264
1.前言
我公司承接了某发动机大量大直径薄壁异性环类件加工，包括压机机部件、动力涡轮部件、附件传动部件等，其中压气机部件中2-4级静子系列薄壁环，以及高低压涡轮外环作为本次攻关的主要改进项目，其尺寸规格大、精度要求高、加工难度大，直径、壁厚比达到200：1，加工精度要求高，真空钎焊变形大，流道尺寸极不稳定，同类型零件质量极不稳定，为提高该类型薄壁环类件的加工质量，经近一年的攻关，大直径薄壁异型环类件产品质量得到明显提高。
2. 研究内容
2.1 解决大直径薄壁环机械加工变形问题
前期在同类型薄壁环类件的加工过程中，受零件结构、材料、热处理等方面影响，加工精度难以达到设计要求，特别是静子类零件流道跳动0.04，面轮廓度0.1，内外环同轴度Ф0.02;涡轮环及机匣前后端类对基准零件跳动0.05，自由状态下尺寸公差0.032等相关尺寸基本上让步接收，如何解决机加变形问题是本次攻关的重点研究难点。
2.2 论证“1Cr13（不锈钢）、GH625（高温合金），保证钎焊、喷涂质量并控制零件变形”理论的可行性
静子系列零件内外环材料为1Cr13，该材料焊后进行热处理，硬度要求为HBS 287～330;在M面任意处进行硬度检查，硬检深度不大于0.4，在研制过程中出现了零件硬度偏低问题，而零件焊后硬度与焊缝质量、零件变形为两个矛盾的因素，为解决硬度偏低问题，需延长加热时间、加快冷却速率，而该过程可能使零件出现渗漏、同轴度超差（即变形严重），影响后续机加质量。
大型薄壁环类件内部应力（不同基体材料产生应力的情况不一致）是造成零件变形的主要原因，而喷涂层与基体膨胀系数的不一致，是喷涂涂层（CoNiCrAlY、铝硅涂层）与零件基体结合不好的主要原因，有效减少喷涂层厚度、减少切削应力产生可有效控制零件加工质量。
3. 技术方案对比与分析
3.1 大直径薄壁环“小余量组件加工”与传统余量加工质量情况对比;喷涂层不同厚度情况对比
静子系列零件3mm余量的传统方法是考虑到钎焊存在较大变形，如果余量不足很可能会造成零件在组件时加工局部位置无余量，该方法虽然可以在组件中对零件真空钎焊后变形有较大余度进行调整加工，但零件在单件加工过程部分壁厚尺寸已经加工至设计尺寸，加工部位余量过大，就会造成零件壁厚差异较大，钎焊过程中极易产生因壁厚差异较大形成的焊接变形。将组件加工余量改为1mm，在真空钎焊过程中，零件不会因壁厚差异过大而产生焊接变形。在组件加工过程中，零件去除余量少，切削应力产生小，只要装夹方式得当，零件在约束状态下与自由状态下变形会显著减少，选择该方案确定工艺路线也会缩短，加工周期也会大大缩短。
对于不同基体材料特别是高温合金的喷涂加工，通过改进喷涂层厚度以及喷涂后微余量机械加工减少零件内应力，可达到设计精度要求。通过多个图号喷涂试验，大部分材料喷涂层与基体的膨胀系数不一致，甚至差距很大，当工艺设定喷涂层单边余量在0.8左右时，也就是喷涂层厚度1.5mm，经过试验，对比喷涂层单边余量0.4的零件，喷涂层与零件基体结合质量合格率0.4余量零件比余量0.8零件合格率提高50%，高温合金基体非喷涂部位，喷涂后加工余量（单边）控制在0.1-0.2时比余量在0.5-0.6时，约束状态与自由状态下变形减少0.05-0.15。
3.2 通过延长保温时间、充Ar快冷与传统简单随炉快冷零件变形情况对比分析
零件内外环材料为1Cr13，该材料焊后热处理硬度与焊缝质量及变形为两个矛盾的因素，冷却速度慢零件硬度无法达到设计要求，采用传统随炉快冷方案，零件硬度合格了，零件焊缝质量降低（煤油渗漏检验不合格），零件变形大（流道变形达到2mm），为解决硬度低问题，经过多次试验，通过延长保温时间至2H、充Ar气，随炉2H快冷至环境温度、检查真空炉真空度保持较好热处理炉进行加工，零件硬度达到设计要求的情况下，零件整体焊接后变形控制在0.2左右，大大好于试验预期。并为今后同类型零件真空钎焊控制零件硬度及变形提供加工经验。
4. 实施过程
4.1 大直径薄壁环小余量组件加工改进过程
4.1.1 改进装夹方式，提高支靠面精度
项目攻关前期，对组件1mm小余量进行了充分的验证加工，及工艺方案论证，特别是对车削加工过程可能產生的装夹变形进行改进，取消了常用软爪装夹方式，采用可车削拼装模块进行定位支靠。验证加工过程中，零件基准面平面度达到0.08-0.1，无法满足自由状态下零件直径精度，通过采用研磨方式为车削提供良好的支靠面。经过对支靠面研磨抛修，着色面积可达80%且沿圆周不间断。为数车及磨工加工提供了良好的支靠面，减少了零件装夹变形。研磨支靠面是保证机加形位公差的关键，良好的支靠平面，保证零件在自由状态下保证良好的行为公差，目前，我公司加工的支靠平面精度为0.01-0.02，自由状态下零件变形在0.04-0.05左右。为提高零件片面质量，我单位投入技改，购置了一台平面研磨机。对不锈钢、高温合金、铝镁合金、结构钢、钛合金等材料大型薄壁异型环类件的支靠面研磨的平面度可达到0.002左右，从约束状态到自由状态下变化不超过0.03的变形。根据不同零件材料选择不同研磨介质从而达到加工要求。
4.1.2 立式磨削加工替代数车加工断续切削部分
对于大型薄壁环类件出现断续切削，内应力产生较大，工艺上采用数控立磨进行加工，确保了垂直度0.01与同轴度0.02满足了设计要求。
4.1.3 提高喷涂层与不同材料基体的结合质量的方法
解决零件基体与喷涂层结合问题主要通过以下几个方面进行控制：
1、提高零件基体自由状态下尺寸精度，避免涂层厚薄不均;
2、设计专用喷涂夹具，提高零件基体强度;
3、尽量减少涂层厚度，提高涂层与零件结合质量;
4、改进喷涂位置结构，避免喷涂位置形成90°角，而形成喷涂盲区。
通过对CoNiCrAlY、铝硅涂层、氧化铬涂层进行对比，改进效果明显，产品涂层部分合格率达到95%以上。
4.1.4 高温合金材料机加变形控制办法
通过试验，对高温合金环类件将稳定处理、喷涂后机加余量控制在0.1-0.15，零件变形量大为减少。
4.2 及时改进热处理方案，确保后续加工产品质量
因设计临时更改外环材料，由1Cr13Ni更改为1Cr13，因两种材料热处理规范存在差异，热处理状态不一致，套用1Cr13Ni热处理规范在加工静子系列产品首批时，零件变形达1.4mm。通过反复试验，工艺参数进行调整改进，达到要求。
5. 结论
通过对不同材料的大型薄壁异型环类件加工过程中对新技术、新工艺的应用，取得了较大收获，特别是“高温合金微余机加工艺”、“高精度研磨设备技改方案的论证”、“不同材料喷涂层结构设计”等新工艺的大面积推广，极大的解决了我公司在各类型结构件生产的生产瓶颈，对科研新品的研制进度与质量有了极大提高，周期缩短了2个月。
参考文献
[1]《机床夹具设计》航空专业教材编审组
[2]《机械加工工艺手册》机械工业出版社
[3]《工艺过程设计原理》南京航空学院翻印
（中航动力株洲航空零部件制造有限公司）
关键词：薄壁件;加工精度;变形;涂层中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-07-264
1.前言
我公司承接了某发动机大量大直径薄壁异性环类件加工，包括压机机部件、动力涡轮部件、附件传动部件等，其中压气机部件中2-4级静子系列薄壁环，以及高低压涡轮外环作为本次攻关的主要改进项目，其尺寸规格大、精度要求高、加工难度大，直径、壁厚比达到200：1，加工精度要求高，真空钎焊变形大，流道尺寸极不稳定，同类型零件质量极不稳定，为提高该类型薄壁环类件的加工质量，经近一年的攻关，大直径薄壁异型环类件产品质量得到明显提高。
2. 研究内容
2.1 解决大直径薄壁环机械加工变形问题
前期在同类型薄壁环类件的加工过程中，受零件结构、材料、热处理等方面影响，加工精度难以达到设计要求，特别是静子类零件流道跳动0.04，面轮廓度0.1，内外环同轴度Ф0.02;涡轮环及机匣前后端类对基准零件跳动0.05，自由状态下尺寸公差0.032等相关尺寸基本上让步接收，如何解决机加变形问题是本次攻关的重点研究难点。
2.2 论证“1Cr13（不锈钢）、GH625（高温合金），保证钎焊、喷涂质量并控制零件变形”理论的可行性
静子系列零件内外环材料为1Cr13，该材料焊后进行热处理，硬度要求为HBS 287～330;在M面任意处进行硬度检查，硬检深度不大于0.4，在研制过程中出现了零件硬度偏低问题，而零件焊后硬度与焊缝质量、零件变形为两个矛盾的因素，为解决硬度偏低问题，需延长加热时间、加快冷却速率，而该过程可能使零件出现渗漏、同轴度超差（即变形严重），影响后续机加质量。
大型薄壁环类件内部应力（不同基体材料产生应力的情况不一致）是造成零件变形的主要原因，而喷涂层与基体膨胀系数的不一致，是喷涂涂层（CoNiCrAlY、铝硅涂层）与零件基体结合不好的主要原因，有效减少喷涂层厚度、减少切削应力产生可有效控制零件加工质量。
3. 技术方案对比与分析
3.1 大直径薄壁环“小余量组件加工”与传统余量加工质量情况对比;喷涂层不同厚度情况对比
静子系列零件3mm余量的传统方法是考虑到钎焊存在较大变形，如果余量不足很可能会造成零件在组件时加工局部位置无余量，该方法虽然可以在组件中对零件真空钎焊后变形有较大余度进行调整加工，但零件在单件加工过程部分壁厚尺寸已经加工至设计尺寸，加工部位余量过大，就会造成零件壁厚差异较大，钎焊过程中极易产生因壁厚差异较大形成的焊接变形。将组件加工余量改为1mm，在真空钎焊过程中，零件不会因壁厚差异过大而产生焊接变形。在组件加工过程中，零件去除余量少，切削应力产生小，只要装夹方式得当，零件在约束状态下与自由状态下变形会显著减少，选择该方案确定工艺路线也会缩短，加工周期也会大大缩短。
对于不同基体材料特别是高温合金的喷涂加工，通过改进喷涂层厚度以及喷涂后微余量机械加工减少零件内应力，可达到设计精度要求。通过多个图号喷涂试验，大部分材料喷涂层与基体的膨胀系数不一致，甚至差距很大，当工艺设定喷涂层单边余量在0.8左右时，也就是喷涂层厚度1.5mm，经过试验，对比喷涂层单边余量0.4的零件，喷涂层与零件基体结合质量合格率0.4余量零件比余量0.8零件合格率提高50%，高温合金基体非喷涂部位，喷涂后加工余量（单边）控制在0.1-0.2时比余量在0.5-0.6时，约束状态与自由状态下变形减少0.05-0.15。
3.2 通过延长保温时间、充Ar快冷与传统简单随炉快冷零件变形情况对比分析
零件内外环材料为1Cr13，该材料焊后热处理硬度与焊缝质量及变形为两个矛盾的因素，冷却速度慢零件硬度无法达到设计要求，采用传统随炉快冷方案，零件硬度合格了，零件焊缝质量降低（煤油渗漏检验不合格），零件变形大（流道变形达到2mm），为解决硬度低问题，经过多次试验，通过延长保温时间至2H、充Ar气，随炉2H快冷至环境温度、检查真空炉真空度保持较好热处理炉进行加工，零件硬度达到设计要求的情况下，零件整体焊接后变形控制在0.2左右，大大好于试验预期。并为今后同类型零件真空钎焊控制零件硬度及变形提供加工经验。
4. 实施过程
4.1 大直径薄壁环小余量组件加工改进过程
4.1.1 改进装夹方式，提高支靠面精度
项目攻关前期，对组件1mm小余量进行了充分的验证加工，及工艺方案论证，特别是对车削加工过程可能產生的装夹变形进行改进，取消了常用软爪装夹方式，采用可车削拼装模块进行定位支靠。验证加工过程中，零件基准面平面度达到0.08-0.1，无法满足自由状态下零件直径精度，通过采用研磨方式为车削提供良好的支靠面。经过对支靠面研磨抛修，着色面积可达80%且沿圆周不间断。为数车及磨工加工提供了良好的支靠面，减少了零件装夹变形。研磨支靠面是保证机加形位公差的关键，良好的支靠平面，保证零件在自由状态下保证良好的行为公差，目前，我公司加工的支靠平面精度为0.01-0.02，自由状态下零件变形在0.04-0.05左右。为提高零件片面质量，我单位投入技改，购置了一台平面研磨机。对不锈钢、高温合金、铝镁合金、结构钢、钛合金等材料大型薄壁异型环类件的支靠面研磨的平面度可达到0.002左右，从约束状态到自由状态下变化不超过0.03的变形。根据不同零件材料选择不同研磨介质从而达到加工要求。
4.1.2 立式磨削加工替代数车加工断续切削部分
对于大型薄壁环类件出现断续切削，内应力产生较大，工艺上采用数控立磨进行加工，确保了垂直度0.01与同轴度0.02满足了设计要求。
4.1.3 提高喷涂层与不同材料基体的结合质量的方法
解决零件基体与喷涂层结合问题主要通过以下几个方面进行控制：
1、提高零件基体自由状态下尺寸精度，避免涂层厚薄不均;
2、设计专用喷涂夹具，提高零件基体强度;
3、尽量减少涂层厚度，提高涂层与零件结合质量;
4、改进喷涂位置结构，避免喷涂位置形成90°角，而形成喷涂盲区。
通过对CoNiCrAlY、铝硅涂层、氧化铬涂层进行对比，改进效果明显，产品涂层部分合格率达到95%以上。
4.1.4 高温合金材料机加变形控制办法
通过试验，对高温合金环类件将稳定处理、喷涂后机加余量控制在0.1-0.15，零件变形量大为减少。
4.2 及时改进热处理方案，确保后续加工产品质量
因设计临时更改外环材料，由1Cr13Ni更改为1Cr13，因两种材料热处理规范存在差异，热处理状态不一致，套用1Cr13Ni热处理规范在加工静子系列产品首批时，零件变形达1.4mm。通过反复试验，工艺参数进行调整改进，达到要求。
5. 结论
通过对不同材料的大型薄壁异型环类件加工过程中对新技术、新工艺的应用，取得了较大收获，特别是“高温合金微余机加工艺”、“高精度研磨设备技改方案的论证”、“不同材料喷涂层结构设计”等新工艺的大面积推广，极大的解决了我公司在各类型结构件生产的生产瓶颈，对科研新品的研制进度与质量有了极大提高，周期缩短了2个月。
参考文献
[1]《机床夹具设计》航空专业教材编审组
[2]《机械加工工艺手册》机械工业出版社
[3]《工艺过程设计原理》南京航空学院翻印
（中航动力株洲航空零部件制造有限公司）