1 序言
蜂窩焊接組合結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多，加工工藝復(fù)雜，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接組合件加工。本文以一種大型蜂窩焊接薄壁組合件（見圖1）為例，闡述蜂窩焊接結(jié)構(gòu)的加工工藝過程。因該零件為21等分結(jié)構(gòu)，故在圖1中僅示意其中的1/21。
圖1 大型蜂窩焊接薄壁組合件
2 結(jié)構(gòu)分析
零件由內(nèi)徑530mm的圓環(huán)與蜂窩焊接組合成一體，并經(jīng)機(jī)械加工成形后，最終切割成的各扇形段組成。零件壁厚1.8mm，壁厚與內(nèi)徑比為1：294，且蜂窩結(jié)構(gòu)焊接于圓環(huán)內(nèi)側(cè)，屬于大型焊接薄壁組合件。零件圓環(huán)材料為GH907高溫合金（鍛件），蜂窩材料為GH536高溫合金，圓環(huán)與蜂窩采用真空釬焊方法連接到一起，焊后時(shí)效處理。
3 加工工藝分析
（1）鍛件制造 根據(jù)產(chǎn)品尺寸，首先設(shè)計(jì)出毛坯鍛件圖，各面留出足夠的加工余量；然后進(jìn)行焊接前的車削加工，焊前只將焊接面加工到要求尺寸，其余各處見光即可。但是為了方便以后工序的裝夾，應(yīng)提前在上端面加工出壓板臺(tái)階。
（2）焊接 完成焊前加工后，進(jìn)行蜂窩結(jié)構(gòu)的真空釬焊。因基體和蜂窩的材料不同，一種為 鐵基、一種為鎳基，經(jīng)查閱資料，為增強(qiáng)蜂窩結(jié)構(gòu)的焊接性，保障焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，對(duì)含鈦、鈮、鉭較高的合金（如GH4269、GH141、GH903、GH907、K406和K408等）制成的零件，在焊前應(yīng)進(jìn)行鍍鎳處理，其厚度為10~20μm。真空釬焊是決定組合件開發(fā)能否成功的關(guān)鍵。焊接所使用的設(shè)備包含儲(chǔ)能焊機(jī)和真空釬焊爐。真空釬焊爐的工作區(qū)域溫度差應(yīng)不超過±10°，真空度應(yīng)高于4×10-2Pa，漏氣率應(yīng)小于2.0Pa/h。焊料選擇BNi82CrSiB釬料進(jìn)行填充焊接。因機(jī)體材料GH907屬于時(shí)效硬化性合金，因此在釬焊后應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理，以保證基體硬度滿足布氏硬度機(jī)壓痕直徑d＝3.15～3.5mm的要求。
（3）焊后加工 焊接完成后，為方便后續(xù)各工序的裝夾定位，根據(jù)產(chǎn)品特性，通過找正焊接基 面，在上端面加工出定位止口，因產(chǎn)品的尺寸及幾何公差要求，圖1所示剖面結(jié)構(gòu)的加工應(yīng)一次裝夾完成，以此來保證各項(xiàng)參數(shù)的精度要求，而由于產(chǎn)品壁厚與內(nèi)徑比高達(dá)1∶294，普通的夾外圓、撐內(nèi)孔及壓端面的裝夾方式均易導(dǎo)致零件加工后變形，無法保證零件在自由狀態(tài)下的各項(xiàng)要求，因此在加工中，需要設(shè)計(jì)專用夾具，以保證零件的順利加工。
（4）加工成形 零件的整體輪廓加工完成后，利用線切割加工方式將整體圓環(huán)均分為21等份，零 件加工成形。
（5）工藝要求 鑒于蜂窩的特殊結(jié)構(gòu)，在各工序加工過程中，應(yīng)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的保護(hù)，避免在加工過程中造成蜂窩結(jié)構(gòu)的人為損傷。同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行充分的清洗，尤其是蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行多次的超聲波清洗，以避免臟物堆積在蜂窩晶格底部。
4 存在的問題及處理方法
在加工前，雖然對(duì)工藝進(jìn)行了充分的論證分析，但因人員、設(shè)備、加工參數(shù)、刀具及經(jīng)濟(jì)性等多方面因素的影響，還是會(huì)出現(xiàn)各種問題，故在加工過程中需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)及工藝流程進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)和修訂，從而最終形成成熟穩(wěn)定的加工工藝及參數(shù)。
4.1 焊接后變形及表面氧化
經(jīng)對(duì)蜂窩定位點(diǎn)焊、焊料填充、焊接熱循環(huán)曲線及焊接入爐狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)定位點(diǎn)焊不均勻、焊接熱循環(huán)曲線與標(biāo)準(zhǔn)有出入、釬焊入爐數(shù)量、擺放方式以及真空熱處理爐尺寸等均與基體變形有關(guān)[1]，最終根據(jù)實(shí)物分析，將蜂窩點(diǎn)焊定位方式由原來的基體內(nèi)徑預(yù)制帶狀槽改為工裝定位，并取消基體點(diǎn)焊帶狀槽，同時(shí)使用粘帶釬料保證釬料填充均勻，并按標(biāo)準(zhǔn)范圍合理調(diào)整控制各溫度段的時(shí)間，然后制作鉬制入爐工裝，使零件入爐后保持軸向受力均勻，從而消除了焊接基體變形問題。如果焊接或時(shí)效時(shí)真空熱處理爐的真空度及漏氣率不達(dá)標(biāo)，則會(huì)導(dǎo)致零件氧化變藍(lán)，而正常顏色應(yīng)為淡黃色，因此需保證真空熱處理爐的真空度高于4×10-2Pa，漏氣率小于2.0Pa/h。
4.2 焊后時(shí)效圓環(huán)材料硬度偏軟
由于基體材料GH907是時(shí)效硬化性合金，時(shí)效后基體硬度偏軟問題可能是因?yàn)闀r(shí)效參數(shù)不達(dá)標(biāo)，經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)，焊后的時(shí)效處理應(yīng)按照裝爐溫度不高于150℃，2～2.5h升溫至（775±10)℃，保溫12h~12h15min，然后以（55±10）℃/h的冷卻速率冷卻至（620±10）℃，保溫8h~8h15min，充氬氣0.2～0.4MPa，冷卻至80℃以下出爐。
4.3 車削困難
因組合件屬于大型薄壁件，裝夾方式、車削參數(shù)和刀具選擇不當(dāng)都會(huì)造成加工振刀及刀具磨損快的問題，故設(shè)計(jì)了專用夾具，采用定位止口定位，42個(gè)螺釘通過預(yù)制裝夾孔進(jìn)行固定，使組合件在裝夾過程、車削處軸向及徑向均不承受多余外力。并 采用低轉(zhuǎn)速、慢進(jìn)給的方式，切削深度控制在0.3～0.5mm。選擇大圓弧R0.8～R1.2mm的標(biāo)準(zhǔn)刀片進(jìn)行車削[2]，此問題得以解決。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的專用夾具利用了組合件本身的螺釘孔進(jìn)行固定，在組合件上提前預(yù)制螺釘孔時(shí)，孔的深度不可避免會(huì)延伸至車削位置，導(dǎo)致無法連續(xù)切削，而GH907材料的加工性差，所以會(huì)出現(xiàn)車削困難的情況。為此在提前預(yù)制螺釘孔時(shí)，利用加工中心，使用波紋銑刀加工出環(huán)狀槽，去掉延伸的螺釘孔，使得因無法連續(xù)切削而導(dǎo)致車削困難的問題得以完美解決。
4.4 定位找正
加工中心的加工內(nèi)容為2個(gè)螺釘孔、1個(gè)定位孔、1個(gè)扇形槽和倒角，在執(zhí)行此工序時(shí)，其余輪廓已全部加工至最終尺寸，因此在加工中心裝夾找正時(shí)，應(yīng)注意防護(hù)，一是防止劃傷、碰傷，二是防止人為因素導(dǎo)致零件變形。為了方便加工中心的裝夾找正，在上一工序車削時(shí)，對(duì)組合件最大外徑尺寸公差進(jìn)行了縮減，以用于加工中心的配合定位，本工序的夾具設(shè)計(jì)了內(nèi)止口與組合件最大外徑進(jìn)行配合定位，大大降低了找正難度，同時(shí)專用夾具也對(duì)組合件的非加工部位進(jìn)行了保護(hù)，防止因裝夾和加工導(dǎo)致零件變形。
4.5 焊接質(zhì)量
為了保證基體與蜂窩的焊接質(zhì)量，應(yīng)對(duì)零件表面進(jìn)行清理，去除表面的油污及其他氧化物，必要時(shí)可進(jìn)行酸洗或用砂紙打磨的方法去除氧化物，但蜂窩夾芯不可進(jìn)行酸洗，蜂窩與基體裝配前應(yīng)進(jìn)行超聲波清洗，然后再用丙酮清洗干凈。因基體與蜂窩的材料不同，為了提高焊接性，應(yīng)在焊接前對(duì)基體進(jìn)行鍍鎳，鎳層厚度建議為10~20μm，而為了保證鍍鎳的質(zhì)量，則應(yīng)對(duì)基體進(jìn)行去應(yīng)力和濕吹砂，防止鍍鎳后造成鎳層起皮或脫落。
蜂窩夾芯的基面，應(yīng)在其寬度方向任一截面上高低一致，其最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的偏差不大于0.07mm，而基體的焊前內(nèi)徑尺寸應(yīng)比蜂窩夾芯基面的實(shí)測(cè)直徑尺寸小0.3~0.5mm，以保證蜂窩夾芯基面與基體配合間隙趨近于零。同時(shí)釬料建議選擇粘帶釬料，厚度0.4~0.8mm，以保證釬料分布均勻，并降低其重力因素的影響。
5 工裝夾具設(shè)計(jì)
5.1 車削加工夾具
車削外形輪廓選擇數(shù)顯臥式車床，利用夾具與內(nèi)止口進(jìn)行定位，使用螺釘與夾具固定，車削外形輪廓可分粗、精車削，工裝夾具及裝夾找正方式相同。外形輪廓車削夾具及零件的裝夾如圖2所示。
圖2 外形輪廓車削夾具及零件的裝夾
外形輪廓車削完成后，需調(diào)頭車削上端面至最終要求，為避免車削振顫現(xiàn)象，設(shè)計(jì)的夾具體積大，較為厚重，依靠夾具本身自重和螺釘緊固力可有效消除車削夾具振顫及振刀現(xiàn)象[3]。車削端面夾具及零件的裝夾如圖3所示。因夾具的體積大、質(zhì)量重，故選擇立式車床進(jìn)行車削端面，既方便裝夾找正，又提高了安全性。唯一需要注意的是，應(yīng)先將零件與夾具正確安裝后，再安裝至機(jī)床。
圖3 車削端面夾具及零件的裝夾
5.2 銑削加工夾具
輪廓車削完成后，轉(zhuǎn)至數(shù)控五軸加工中心加工上端面上各孔及扇形槽。由于全部尺寸及角度偏差由機(jī)床程序保證，因此在零件加工前應(yīng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行校驗(yàn)。為了便于零件找正，夾具設(shè)計(jì)有內(nèi)止口與組合件外徑配合，在上端面使用固定蓋板壓緊組合 件，固定蓋板上需提前按各孔及扇形槽的位置加工出讓位孔，夾具上也應(yīng)提前加工出讓刀孔[4]，以防止在加工過程中出現(xiàn)刀具偏移。數(shù)控加工中心夾具及零件的裝夾如圖4所示。
圖4 數(shù)控加工中心夾具及零件的裝夾
5.3 線切割?yuàn)A具
在車削和銑削加工完成后，進(jìn)入線切割工序，將圓環(huán)進(jìn)行21等分。由于線切割的加工定位需完全依靠夾具保障，因此設(shè)計(jì)了專用夾具，夾具上制作有找正拉直孔，并配有定位銷定位組合件位置。組合件使用螺釘和墊片固定在夾具上。等分夾具及零 件的裝夾如圖5所示。
圖5 等分夾具及零件的裝夾
等分完成后，需在4h內(nèi)完成對(duì)線切割電蝕層的拋修，并對(duì)零件進(jìn)行超聲波清洗，避免臟物或切削液殘留堆積在蜂窩晶格底部。最后對(duì)零件進(jìn)行探傷檢查，保證零件完好無裂紋或其他損傷。
6 結(jié)束語
本文對(duì)大型蜂窩焊接薄壁組合件加工過程中的問題及難點(diǎn)進(jìn)行分析，并制定了合理的解決措施，使零件加工得以順利進(jìn)行。該焊接組合件的加工制造涉及到多種工序，由于使用了多套專用工裝夾具來保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，因此也充分體現(xiàn)了工裝夾具對(duì)產(chǎn)品制造的重要性。
