支撐環作為航空發動機壓氣機轉子第三級引氣管組件的核心基礎件，屬高精度鈦合金薄壁環形空腔結構件。其尺寸精度、形位公差及組件靜平衡性能直接影響發動機裝配精度與整機運行穩定性。該類零件腹板最薄處僅1.8mm，徑向剛性較差，加工過程中受切削力與夾緊力作用易產生彈性變形;粗、半精加工后產生的殘余應力在后續工序釋放，會導致零件自由狀態下的變形加劇，進而引發外圓均布孔位置度、同軸度超差等問題。此外，薄壁結構的基準面易發生變形，給后續工序定位加工帶來累積誤差，嚴重時會造成零件報廢。

鈦合金薄壁環形件的變形控制是航空精密制造領域的共性技術難點。現有加工工藝多側重單一環節的誤差補償，尚未形成全流程變形控制體系，難以滿足高精密航空零部件的加工要求。本文以支撐環為研究對象，針對其加工變形、關鍵工序精度保障及組件靜平衡三大核心問題，從工藝路線、工裝夾具、切削參數及裝配工藝4個維度開展優化研究，形成一套適用于鈦合金薄壁環形件的低應力加工及靜平衡保障技術方案，旨在為航空發動機同類型薄壁回轉件的加工提供工藝參考[1]。

1、支撐環結構特點及加工裝配難點

1.1 結構特點

支撐環為鈦合金整體鍛造的薄壁環形空腔結構，外圓周向分布兩組高精度均布孔，與引氣管裝配間隙要求為0.004~0.023mm，兩組孔同軸度公差不超過0.06mm;孔中心至基準面軸向高度為15mm，基準面與支撐面存在0.7mm臺階差。零件圓周均勻分布12個圓孔與12個長條減重孔，相鄰孔間支撐面積小，整體剛性差。該零件與12件引氣管及輔助件裝配組成引氣管組件，組件對靜平衡要求嚴苛，規定殘余不平衡量不超過20g·mm。引氣管組件三維模型如圖1所示。

1.2 核心加工裝配難點

第一，零件變形導致關鍵精度難以保證。支撐環外圓兩組Φ25.0 ₀^+0.021均布孔位置度公差不超過0.021mm，自由狀態下同軸度與位置度不超過0.06mm。因零件存在多處空腔與減重孔，剛性差、變形敏感性高，加工中難以兼顧孔系的高精度要求。若精度超差，則會直接導致引氣管裝配卡滯、無法到位，影響組件裝配質量。支撐環結構如圖2所示。

第二，懸臂安裝邊加工精度控制難度大。支撐環懸臂安裝邊的加工需嚴格保證腹板厚度尺寸、腹板內側及端面跳動公差。其加工過程存在以下核心難點:零件剛性差，在切削力作用下易產生彎曲變形，導致各尺寸相對基準的跳動要求難以保證;基準面與夾具定位的貼合面積小，輔助支撐難以有效發揮作用，使得腹板懸臂撓度增大，無法保證基準面與腹板底部的平面度及平行度。

第三，端面深槽車削存在多重技術難題。支撐環端面環槽深度達36.5mm，且因圓周減重孔的存在，車削過程處于斷續切削狀態，零件槽壁處壁厚僅4mm。加工中切削力易引發零件變形與內環讓刀;斷續切削產生的刀具沖擊易引發振刀現象，導致槽面粗糙度超差，難以達到表面粗糙度Ra不大于1.6μm的設計要求。此外，鈦合金材料導熱系數小、化學活性強，加工時切削溫度高，易產生加工硬化，進一步加劇切削力與零件變形[2]。

第四，組件靜平衡達標難度高。引氣管組件的靜平衡工裝為無心盤狀結構，重心易偏離回轉中心。支撐環加工后的壁厚不均，且12件引氣管之間存在不可避免的質量差異，導致組件的初始不平衡量過大。傳統調整方式僅通過單一去重來實現靜平衡，受限于零件余量，難以將殘余不平衡量有效控制在設計范圍內。

2、工藝優化方案

針對支撐環加工裝配的核心難點，遵循"源頭控制、分序施策、工裝保障、裝配協同"的優化原則，從加工變形全流程控制、關鍵工序工藝優化、組件靜平衡保障3個維度開展系統性工藝改進。

2.1 加工變形全流程控制

2.1.1 增設消應力熱處理工序

為最大限度地降低殘余應力對零件變形的影響，在粗加工與半精加工后分別增設以消除內應力為主要目的的熱處理工序。粗加工后零件已形成基本輪廓，此時進行熱處理可同步釋放鍛件自身的原始應力與粗加工產生的切削應力。半精加工后的熱處理則進一步釋放二次切削應力，從源頭減少后續工序的變形誘因。同時，考慮到熱處理后零件可能存在微量變形，粗加工后單邊預留3mm加工余量，確保余量大于熱處理變形量，為精加工留出足夠的調整空間。

2.1.2 優化加工工序與余量分配

根據鈦合金薄壁環形件加工特性，制定先基準后其他、先粗后精、先面后孔、內外交替、對稱加工的工藝路線，將加工過程分為粗加工、半精加工、精加工3個階段，實現余量均勻分配與應力逐步釋放。一是粗加工，采用車削方式快速去除大部分加工余量，對變形敏感的端面槽、溝槽等結構提前加工出雛形，使零件前期變形充分釋放，避免精加工階段因大余量切削引發二次變形。二是半精加工，完成各表面的精整加工，確保精加工前各表面余量均勻(單邊預留0.7mm)，并安排腐蝕檢查，排查鈦合金鍛件內部可能存在的裂紋、折疊、夾雜物等冶金缺陷，防止因缺陷導致后續加工變形或零件失效。三是精加工，采用精車與數控鉆削完成最終尺寸加工，采用內外型面交替對稱切削方式切削至設計尺寸，促使殘余應力逐步對稱釋放，從而減小零件最終變形;精加工后安排熒光檢查，檢測零件表面及近表面的微缺陷，保證產品質量。

2.2 關鍵工序加工工藝優化

2.2.1 懸臂安裝邊加工工藝優化

在工裝夾具優化方面，摒棄原有可調式輔助支撐夾具，重新設計了雙止口定位夾具，如圖3所示。該夾具采用徑向定位、軸向壓緊的裝夾方式，選擇零件剛性較好的配合內圓表面和端面作為定位面與支撐面，大幅增大了基準面的貼合面積。通過調節壓緊力，可快速將支撐環找正至設計公差范圍內，確保基準面與腹板處于同一平行平面，有效解決懸臂結構的撓度問題。同時，在零件安裝前，對支撐面與找正面進行平磨處理，保證其平面度及相互平行度，提升定位精度。

在切削方式改進方面，針對懸臂安裝邊加工時徑向受力易變形的問題，采用對稱分層切削方式，保證零件兩側余量均等去除，避免單側切削力過大所導致的彎曲變形。同時，降低單次切削深度，以減小切削力對零件的影響。

2.2.2 端面深槽車削工藝優化

針對切削方式，將傳統輪廓分層車削改為插削式車加工，使切削力由徑向分布轉為軸向分布，從而大幅減少徑向切削力對薄壁槽壁的擠壓變形，同時有效減少斷續切削過程中的刀具沖擊，降低振刀概率[3]。在切削參數與刀具優化方面，應結合鈦合金的難加工特性，選用硬質合金刀具，優化刀具幾何角度以減小切削阻力。同時，分階段制定低應力、高精度切削參數:粗加工以高效去余量為目標;半精加工保證余量均勻;精加工以小切深、低進給為原則，保證表面質量與尺寸精度。全程采用高壓冷卻液澆注，降低切削溫度，防止材料過燒與加工硬化。具體切削參數如表1所示。為提升加工系統剛性，在加工前對機床、夾具、刀具進行精調，減小系統間隙。采用短刀柄、大直徑刀具，以提高加工系統的整體剛性，有效抑制振刀現象，保證加工穩定性。

表1 支撐環端面深槽分階段切削參數

2.3 引氣管組件靜平衡保障工藝優化

組件靜平衡的核心在于降低初始不平衡量，以減少后續去重工作量[4]。本文從零件加工與裝配工藝兩個維度入手，實現對初始不平衡量的精準控制。

第一，引氣管加工一致性控制。制定引氣管專用加工工藝規程，嚴格管控各工序的尺寸精度與質量偏差，將單個引氣管的質量公差控制在極小范圍內，從源頭控制因零件自身差異導致的不平衡。第二，引氣管稱重分級。裝配前對所有引氣管進行高精度稱量，按質量由小到大統一編號，詳細記錄每件質量數據，建立質量臺賬。第三，對稱配對裝配。采用圓周對稱配對方案進行引氣管裝配，保證配對安裝的兩件引氣管質量差異不超過0.5g，使12件引氣管的質量在圓周上均勻分布，大幅降低組件的初始不平衡量。第四，精準去重調整。對裝配后的組件進行靜平衡檢測，根據檢測結果在零件的指定去重區域進行微量去重，避免大面積去重導致零件強度降低，確保組件的殘余不平衡量不超過20g·mm。

3、工藝優化效果驗證

3.1 實驗方案

為驗證優化后工藝的可行性、穩定性與工程實用性，本文選取多批次同規格支撐環，分別采用原工藝與優化后工藝進行加工試制。在此基礎上，嚴格按照設計標準及航空行業標準，對零件外圓均布孔位置度、兩組孔同軸度、懸臂安裝邊端面跳動、端面深槽表面粗糙度Ra、組件初始不平衡量、組件殘余不平衡量及單件加工效率開展對比驗證。

3.2 結果分析

支撐環工藝優化前后關鍵指標對比結果如表2所示。

表2 支撐環工藝優化前后關鍵指標對比結果

由表2可知，優化后支撐環外圓均布孔位置度、兩組孔同軸度、懸臂安裝邊端面跳動等核心指標均優于設計標準上限值(設計標準要求外圓均布孔位置度與兩組孔同軸度不超過0.06mm，懸臂安裝邊端面跳動不超過0.05mm)，且較優化前明顯改善，徹底解決了自由狀態下變形超差、裝配卡滯問題，基準面平面度、平行度及腹板厚度尺寸全部穩定受控[5]，說明優化后的尺寸與形位精度全面達標且優于標準。端面深槽經插削式車削與參數優化后，表面粗糙度Ra穩定在1.2~1.6μm(設計標準要求表面粗糙度Ra不超過1.6μm)，徹底消除了讓刀、振刀、加工硬化等缺陷，較優化前表面質量明顯改善，完全符合航空發動機精密件表面質量標準。組件初始不平衡量較優化前明顯降低，經微量去重后殘余不平衡量穩定控制在8~18g·mm(設計標準要求殘余不平衡量不超過20g·mm)，優于設計標準要求，解決了傳統工藝靜平衡反復調整、難以達標的行業難題。優化工藝使單件加工效率提高30%以上，滿足航空發動機零部件高效率的生產要求。

4、結語

針對航空發動機鈦合金薄壁環形件支撐環加工變形、關鍵精度難保證、組件靜平衡不達標等技術難題，采用"粗、半精加工后增設消應力熱處理+分階段余量分配+內外對稱切削"的工藝路線，可有效釋放鍛件原始應力與加工殘余應力，從源頭控制零件變形，徹底解決了鈦合金薄壁件因應力釋放導致的自由狀態變形問題。采取"引氣管加工一致性控制+高精度稱重+圓周對稱配對裝配"的組合方案，可大幅降低引氣管組件初始不平衡量，結合微量精準去重，實現了組件靜平衡性能的有效保障，解決了傳統工藝中靜平衡達標難的問題。

參考文獻

[1]王興超，劉一.薄壁零件加工變形控制方法研究[J].中國新技術新產品，2015(16):74.

[2]時旭，鄭琪然，于潔.大直徑薄壁盤件加工技術的研究[J].中國新技術新產品，2016(2):29.

[3]魯康平，姜增輝，閆磊，等.基于快走刀層銑的TC4鈦合金高效開槽加工[J].制造技術與機床，2016(2):115-118.

[4]孫換鳳，唐彩國.薄壁環形件準確去除不平衡量工藝方法研究[J].中國高新技術企業，2014(21):45-47.

[5]莊紀綱，董曉，張偉偉.復雜薄壁零件加工的輔助剛性增強方法[J].航空制造技術,2021(15):74-76.

（注，原文標題：鈦合金薄壁環形件低應力加工與靜平衡控制技術_崔淏）

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