支撑环作为航空发动机压气机转子第三级引气管组件的核心基础件，属高精度钛合金薄壁环形空腔结构件。其尺寸精度、形位公差及组件静平衡性能直接影响发动机装配精度与整机运行稳定性。该类零件腹板最薄处仅1.8mm，径向刚性较差，加工过程中受切削力与夹紧力作用易产生弹性变形;粗、半精加工后产生的残余应力在后续工序释放，会导致零件自由状态下的变形加剧，进而引发外圆均布孔位置度、同轴度超差等问题。此外，薄壁结构的基准面易发生变形，给后续工序定位加工带来累积误差，严重时会造成零件报废。
钛合金薄壁环形件的变形控制是航空精密制造领域的共性技术难点。现有加工工艺多侧重单一环节的误差补偿，尚未形成全流程变形控制体系，难以满足高精密航空零部件的加工要求。本文以支撑环为研究对象，针对其加工变形、关键工序精度保障及组件静平衡三大核心问题，从工艺路线、工装夹具、切削参数及装配工艺4个维度开展优化研究，形成一套适用于钛合金薄壁环形件的低应力加工及静平衡保障技术方案，旨在为航空发动机同类型薄壁回转件的加工提供工艺参考[1]。
1、支撑环结构特点及加工装配难点
1.1 结构特点
支撑环为钛合金整体锻造的薄壁环形空腔结构，外圆周向分布两组高精度均布孔，与引气管装配间隙要求为0.004~0.023mm，两组孔同轴度公差不超过0.06mm;孔中心至基准面轴向高度为15mm，基准面与支撑面存在0.7mm台阶差。零件圆周均匀分布12个圆孔与12个长条减重孔，相邻孔间支撑面积小，整体刚性差。该零件与12件引气管及辅助件装配组成引气管组件，组件对静平衡要求严苛，规定残余不平衡量不超过20g·mm。引气管组件三维模型如图1所示。
1.2 核心加工装配难点
第一，零件变形导致关键精度难以保证。支撑环外圆两组Φ25.0 0+0.021均布孔位置度公差不超过0.021mm，自由状态下同轴度与位置度不超过0.06mm。因零件存在多处空腔与减重孔，刚性差、变形敏感性高，加工中难以兼顾孔系的高精度要求。若精度超差，则会直接导致引气管装配卡滞、无法到位，影响组件装配质量。支撑环结构如图2所示。
第二，悬臂安装边加工精度控制难度大。支撑环悬臂安装边的加工需严格保证腹板厚度尺寸、腹板内侧及端面跳动公差。其加工过程存在以下核心难点:零件刚性差，在切削力作用下易产生弯曲变形，导致各尺寸相对基准的跳动要求难以保证;基准面与夹具定位的贴合面积小，辅助支撑难以有效发挥作用，使得腹板悬臂挠度增大，无法保证基准面与腹板底部的平面度及平行度。
第三，端面深槽车削存在多重技术难题。支撑环端面环槽深度达36.5mm，且因圆周减重孔的存在，车削过程处于断续切削状态，零件槽壁处壁厚仅4mm。加工中切削力易引发零件变形与内环让刀;断续切削产生的刀具冲击易引发振刀现象，导致槽面粗糙度超差，难以达到表面粗糙度Ra不大于1.6μm的设计要求。此外，钛合金材料导热系数小、化学活性强，加工时切削温度高，易产生加工硬化，进一步加剧切削力与零件变形[2]。
第四，组件静平衡达标难度高。引气管组件的静平衡工装为无心盘状结构，重心易偏离回转中心。支撑环加工后的壁厚不均，且12件引气管之间存在不可避免的质量差异，导致组件的初始不平衡量过大。传统调整方式仅通过单一去重来实现静平衡，受限于零件余量，难以将残余不平衡量有效控制在设计范围内。
2、工艺优化方案
针对支撑环加工装配的核心难点，遵循"源头控制、分序施策、工装保障、装配协同"的优化原则，从加工变形全流程控制、关键工序工艺优化、组件静平衡保障3个维度开展系统性工艺改进。
2.1 加工变形全流程控制
2.1.1 增设消应力热处理工序
为最大限度地降低残余应力对零件变形的影响，在粗加工与半精加工后分别增设以消除内应力为主要目的的热处理工序。粗加工后零件已形成基本轮廓，此时进行热处理可同步释放锻件自身的原始应力与粗加工产生的切削应力。半精加工后的热处理则进一步释放二次切削应力，从源头减少后续工序的变形诱因。同时，考虑到热处理后零件可能存在微量变形，粗加工后单边预留3mm加工余量，确保余量大于热处理变形量，为精加工留出足够的调整空间。
2.1.2 优化加工工序与余量分配
根据钛合金薄壁环形件加工特性，制定先基准后其他、先粗后精、先面后孔、内外交替、对称加工的工艺路线，将加工过程分为粗加工、半精加工、精加工3个阶段，实现余量均匀分配与应力逐步释放。一是粗加工，采用车削方式快速去除大部分加工余量，对变形敏感的端面槽、沟槽等结构提前加工出雏形，使零件前期变形充分释放，避免精加工阶段因大余量切削引发二次变形。二是半精加工，完成各表面的精整加工，确保精加工前各表面余量均匀(单边预留0.7mm)，并安排腐蚀检查，排查钛合金锻件内部可能存在的裂纹、折叠、夹杂物等冶金缺陷，防止因缺陷导致后续加工变形或零件失效。三是精加工，采用精车与数控钻削完成最终尺寸加工，采用内外型面交替对称切削方式切削至设计尺寸，促使残余应力逐步对称释放，从而减小零件最终变形;精加工后安排荧光检查，检测零件表面及近表面的微缺陷，保证产品质量。
2.2 关键工序加工工艺优化
2.2.1 悬臂安装边加工工艺优化
在工装夹具优化方面，摒弃原有可调式辅助支撑夹具，重新设计了双止口定位夹具，如图3所示。该夹具采用径向定位、轴向压紧的装夹方式，选择零件刚性较好的配合内圆表面和端面作为定位面与支撑面，大幅增大了基准面的贴合面积。通过调节压紧力，可快速将支撑环找正至设计公差范围内，确保基准面与腹板处于同一平行平面，有效解决悬臂结构的挠度问题。同时，在零件安装前，对支撑面与找正面进行平磨处理，保证其平面度及相互平行度，提升定位精度。
在切削方式改进方面，针对悬臂安装边加工时径向受力易变形的问题，采用对称分层切削方式，保证零件两侧余量均等去除，避免单侧切削力过大所导致的弯曲变形。同时，降低单次切削深度，以减小切削力对零件的影响。
2.2.2 端面深槽车削工艺优化
针对切削方式，将传统轮廓分层车削改为插削式车加工，使切削力由径向分布转为轴向分布，从而大幅减少径向切削力对薄壁槽壁的挤压变形，同时有效减少断续切削过程中的刀具冲击，降低振刀概率[3]。在切削参数与刀具优化方面，应结合钛合金的难加工特性，选用硬质合金刀具，优化刀具几何角度以减小切削阻力。同时，分阶段制定低应力、高精度切削参数:粗加工以高效去余量为目标;半精加工保证余量均匀;精加工以小切深、低进给为原则，保证表面质量与尺寸精度。全程采用高压冷却液浇注，降低切削温度，防止材料过烧与加工硬化。具体切削参数如表1所示。为提升加工系统刚性，在加工前对机床、夹具、刀具进行精调，减小系统间隙。采用短刀柄、大直径刀具，以提高加工系统的整体刚性，有效抑制振刀现象，保证加工稳定性。
表1 支撑环端面深槽分阶段切削参数
| 加工阶段 | 吃刀量/mm | 进给量/(mm·r⁻¹) | 转速/(r·min⁻¹) | 线速度/(m·min⁻¹) | 加工余量 | 加工目标 |
| 粗加工 | 1.0 | 0.15 | 40 | <50 | 单边3.0mm | 去除大余量，加工沟槽雏形 |
| 半精加工 | 0.7 | 0.15 | 35 | <50 | 单边0.7mm | 余量均匀，为精加工做准备 |
| 精加工 | 0.1~0.3 | 0.10 | 25 | <50 | 无 | 表面粗糙度Ra不超过1.6μm |
2.3 引气管组件静平衡保障工艺优化
组件静平衡的核心在于降低初始不平衡量，以减少后续去重工作量[4]。本文从零件加工与装配工艺两个维度入手，实现对初始不平衡量的精准控制。
第一，引气管加工一致性控制。制定引气管专用加工工艺规程，严格管控各工序的尺寸精度与质量偏差，将单个引气管的质量公差控制在极小范围内，从源头控制因零件自身差异导致的不平衡。第二，引气管称重分级。装配前对所有引气管进行高精度称量，按质量由小到大统一编号，详细记录每件质量数据，建立质量台账。第三，对称配对装配。采用圆周对称配对方案进行引气管装配，保证配对安装的两件引气管质量差异不超过0.5g，使12件引气管的质量在圆周上均匀分布，大幅降低组件的初始不平衡量。第四，精准去重调整。对装配后的组件进行静平衡检测，根据检测结果在零件的指定去重区域进行微量去重，避免大面积去重导致零件强度降低，确保组件的残余不平衡量不超过20g·mm。
3、工艺优化效果验证
3.1 实验方案
为验证优化后工艺的可行性、稳定性与工程实用性，本文选取多批次同规格支撑环，分别采用原工艺与优化后工艺进行加工试制。在此基础上，严格按照设计标准及航空行业标准，对零件外圆均布孔位置度、两组孔同轴度、悬臂安装边端面跳动、端面深槽表面粗糙度Ra、组件初始不平衡量、组件残余不平衡量及单件加工效率开展对比验证。
3.2 结果分析
支撑环工艺优化前后关键指标对比结果如表2所示。
表2 支撑环工艺优化前后关键指标对比结果
| 阶段 | 外圆均布孔位置度/mm | 两组孔同轴度/mm | 悬臂安装边端面跳动/mm | 端面深槽表面粗糙度Ra/μm | 组件初始不平衡量/(g·mm) | 组件残余不平衡量/(g·mm) | 单件加工效率/h |
| 优化前 | 0.08~0.15 | 0.09~0.18 | 0.10~0.22 | 3.2~6.3 | 80~120 | 30~60 | 8.5 |
| 优化后 | 0.03~0.06 | 0.02~0.05 | 0.01~0.04 | 1.2~1.6 | 10~25 | 8~18 | 5.9 |
由表2可知，优化后支撑环外圆均布孔位置度、两组孔同轴度、悬臂安装边端面跳动等核心指标均优于设计标准上限值(设计标准要求外圆均布孔位置度与两组孔同轴度不超过0.06mm，悬臂安装边端面跳动不超过0.05mm)，且较优化前明显改善，彻底解决了自由状态下变形超差、装配卡滞问题，基准面平面度、平行度及腹板厚度尺寸全部稳定受控[5]，说明优化后的尺寸与形位精度全面达标且优于标准。端面深槽经插削式车削与参数优化后，表面粗糙度Ra稳定在1.2~1.6μm(设计标准要求表面粗糙度Ra不超过1.6μm)，彻底消除了让刀、振刀、加工硬化等缺陷，较优化前表面质量明显改善，完全符合航空发动机精密件表面质量标准。组件初始不平衡量较优化前明显降低，经微量去重后残余不平衡量稳定控制在8~18g·mm(设计标准要求残余不平衡量不超过20g·mm)，优于设计标准要求，解决了传统工艺静平衡反复调整、难以达标的行业难题。优化工艺使单件加工效率提高30%以上，满足航空发动机零部件高效率的生产要求。
4、结语
针对航空发动机钛合金薄壁环形件支撑环加工变形、关键精度难保证、组件静平衡不达标等技术难题，采用"粗、半精加工后增设消应力热处理+分阶段余量分配+内外对称切削"的工艺路线，可有效释放锻件原始应力与加工残余应力，从源头控制零件变形，彻底解决了钛合金薄壁件因应力释放导致的自由状态变形问题。采取"引气管加工一致性控制+高精度称重+圆周对称配对装配"的组合方案，可大幅降低引气管组件初始不平衡量，结合微量精准去重，实现了组件静平衡性能的有效保障，解决了传统工艺中静平衡达标难的问题。
参考文献
[1]王兴超，刘一.薄壁零件加工变形控制方法研究[J].中国新技术新产品，2015(16):74.
[2]时旭，郑琪然，于洁.大直径薄壁盘件加工技术的研究[J].中国新技术新产品，2016(2):29.
[3]鲁康平，姜增辉，闫磊，等.基于快走刀层铣的TC4钛合金高效开槽加工[J].制造技术与机床，2016(2):115-118.
[4]孙换凤，唐彩国.薄壁环形件准确去除不平衡量工艺方法研究[J].中国高新技术企业，2014(21):45-47.
[5]庄纪纲，董晓，张伟伟.复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法[J].航空制造技术,2021(15):74-76.
（注，原文标题：钛合金薄壁环形件低应力加工与静平衡控制技术_崔淏）
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