航空鼓筒軸零件加工工藝

文/中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機有限責任公司 梁永朝

【內容摘要】：通過(guò)陶瓷刀具的應用改進(jìn)、裝夾方式的改進(jìn)以及參數化防誤程序的應用，提升了車(chē)削加工質(zhì)量與效率；通過(guò)涂層刀具的應用以及加工參數的優(yōu)化，解決了法蘭面“花邊”銑削難題，同時(shí)有效降低了刀具使用成本，提升了鼓筒軸零件整體加工效率。

一、 序言

高壓渦輪是航空發(fā)動(dòng)機關(guān)鍵部件之一，高壓渦輪鼓筒軸聯(lián)接著(zhù)高壓渦輪和高壓壓氣機，是傳遞發(fā)動(dòng)機扭矩的主要部件。鼓筒軸在航空發(fā)動(dòng)機聯(lián)接位置如圖1所示。

圖1　鼓筒軸在航空發(fā)動(dòng)機聯(lián)接位置

鼓筒軸工作條件較為惡劣，它承受著(zhù)極復雜的外載荷，包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力和振動(dòng)等。航空鼓筒軸屬于薄壁空腔結構零件，整體剛性差，加工余量較大，加工效率低，同時(shí)加工精度要求高，加工過(guò)程易變形及產(chǎn)生振刀問(wèn)題，加工工藝性差，屬于薄壁弱剛性零件。

二、零件材料特性及結構特征

1、材料特性

高壓渦輪鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時(shí)效沉淀強化型鎳基高溫合金，被廣泛用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機的渦輪盤(pán)、渦輪軸、軸頸、封嚴環(huán)和葉片等高溫部件。作為一種難加工材料，Inconel 718合金具有導熱性較差、加工硬化嚴重和易粘刀等特點(diǎn)，易造成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表面質(zhì)量差等問(wèn)題。

718（GH4169）高溫合金材料的主要成分為鎳，其鎳含量為50%～55%，其余主要元素為Fe、Cr和Nb等。Inconel 718（GH4169）高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度，抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650℃高溫下，其力學(xué)性能具有很好的穩定性，能夠在600～1200℃承受一定的工作壓力。但是Inconel 718（GH4169）高溫合金切削加工性較差，具體表現為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現象嚴重及排屑困難等。典型Inconel 718高溫合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　典型Inconel 718高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數）   （%）

相比于其他材料，718（GH4169）GH4169合金材料的切削加工性能偏低，屬于難加工材料。鎳基高溫合金切削加工的主要問(wèn)題表現在以下幾個(gè)方面。

1）切削力較大，一般為加工鋼材的1.5～2倍。

2）切削溫度高，在相同條件下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍。

3）刀具磨損嚴重，機械磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴重，刀具壽命明顯降低。

4）加工硬化現象嚴重，已加工表面硬度可達基體硬度的1.5～2倍。

5）切屑硬而韌，不易折斷，造成切削過(guò)程中切屑處理困難。

2、零件結構特征

高壓渦輪鼓筒軸零件如圖3所示。高壓渦輪鼓筒軸前后端都帶有安裝邊，是一種典型的“花邊”結構。同時(shí)，在沿著(zhù)圓周方向上，花邊周?chē)植贾?zhù)一圈螺栓孔，通過(guò)短螺栓分別與高壓壓氣機封嚴盤(pán)和高壓渦輪封嚴盤(pán)聯(lián)接。

圖2　高壓渦輪鼓筒軸零件

鼓筒軸零件前端φ377.744mm外徑為徑向基準，即基準B，前端面為軸向基準，即基準A，平面度要求為0.025mm，前端分布48處R6.35mm“花邊”結構。后端外徑為φ363.829mm，外徑相對于A(yíng)、B基準在自由狀態(tài)下的跳動(dòng)要求為0.05mm，在約束狀態(tài)下的跳動(dòng)要求為0.025mm。鼓筒軸零件中間部分壁厚僅為2.5mm，屬于典型的薄壁弱剛性結構。

三、 加工工藝方法

鼓筒軸零件主要加工工藝為車(chē)削、鉆孔和銑“花邊”，特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡等。

1、車(chē)削工藝改進(jìn)

鼓筒軸零件毛坯質(zhì)量約50kg，在零件最初開(kāi)始試制時(shí)，粗車(chē)加工過(guò)程采用DNMG 150612-TF刀尖半徑為1.2mm的硬質(zhì)合金菱形刀片去除余量，效率低，生產(chǎn)周期長(cháng)，不利于大批量生產(chǎn)。為了盡快轉變加工現狀，有效提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期，嘗試采用美國綠葉公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶須增強型陶瓷刀具，它是用特種陶瓷粉末材料，采用科學(xué)配方，通過(guò)特殊生產(chǎn)工藝，使用現代化設備生產(chǎn)制造出來(lái)的。其特點(diǎn)為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性、優(yōu)良的化學(xué)穩定性和低摩擦系數等，其切削加工效率為普通硬質(zhì)合金的3～9倍。陶瓷刀片（見(jiàn)圖3）為圓形，直徑為12.7mm。陶瓷刀車(chē)削特點(diǎn)是高轉速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。

圖3 陶瓷刀片

在使用陶瓷刀片初期，由于對其加工性能不夠了解，且陶瓷刀片脆性大，因此加工過(guò)程中易出現崩刃現象，進(jìn)而導致零件表面質(zhì)量差等問(wèn)題發(fā)生。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)多次試驗，最終確定加工參數：切削速度為200m/min，進(jìn)給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時(shí)在基于前期多輪試驗的基礎上，對陶瓷刀具的進(jìn)刀方式進(jìn)行調整，改進(jìn)后的陶瓷刀切削進(jìn)刀方式如圖4所示。進(jìn)刀時(shí)，采用斜向進(jìn)刀與直線(xiàn)進(jìn)刀交替進(jìn)行的方式，其最大優(yōu)勢是刀具每次切削時(shí)，切削刃與工件的接觸點(diǎn)在不斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點(diǎn)的持續磨損，減小溝槽磨損的程度，減少換刀片的時(shí)間，同時(shí)也大大提高了刀具的使用壽命。硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具的加工參數對比見(jiàn)表2。

圖4 陶瓷刀切削進(jìn)刀方式

表2　硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具的加工參數對比

在半精加工過(guò)程中，特別是在內型面車(chē)削時(shí)，最初采用陶瓷刀去余量，之后采用硬質(zhì)合金刀具清根。但是由于在實(shí)際加工過(guò)程中，操作人員需要頻繁換刀、對刀，不利于加工效率的提升，因此對加工方式進(jìn)行改進(jìn)，具體方式是，在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后，不再采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行清根處理，而是繼續采用陶瓷刀具進(jìn)行清根，大大縮短了換刀、對刀時(shí)間，加工效率也得到進(jìn)一步的提升。

在精車(chē)加工試制過(guò)程中，由于鼓筒軸零件結構特點(diǎn)是壁?。ㄗ钚”诤?.54mm），零件裝夾后懸伸較長(cháng)（前后端總長(cháng)約251mm），屬于典型的弱剛性結構。因此，加工過(guò)程中不可避免地出現振刀問(wèn)題，進(jìn)而造成零件局部變形，同時(shí)出現車(chē)削后零件壁厚不均勻現象，滿(mǎn)足不了圖樣的表面粗糙度要求，以及沿著(zhù)圓周方向壁厚變化量不能超過(guò)0.076mm的技術(shù)要求。針對這一問(wèn)題，嘗試采用多種方法，比如優(yōu)化切削參數、調整走刀方式等，但實(shí)際效果并不明顯?？紤]到零件在經(jīng)過(guò)粗加工、半精加工后，大部分余量已經(jīng)去除，零件壁厚逐漸減薄，加之懸臂過(guò)長(cháng)，車(chē)削過(guò)程中整體剛性減弱，尤其是內壁加工處基本屬于空腔結構，車(chē)削過(guò)程中振刀問(wèn)題隨之產(chǎn)生，于是嘗試采用在零件外側纏繞橡膠繩套的方案，能夠有效增加零件懸臂剛性，降低車(chē)削過(guò)程中的“共振”現象，從而基本消除車(chē)削振刀問(wèn)題，最終表面粗糙度及壁厚變化量均滿(mǎn)足技術(shù)要求。增加懸臂剛性后的加工效果如圖5所示。

圖5　增加懸臂剛性后的加工效果

在車(chē)削加工裝夾方式方面，粗車(chē)外形加工過(guò)程中，因為零件毛料為筒狀環(huán)形結構，因此最初加工時(shí)考慮到裝夾的穩定性與可靠性，采用單動(dòng)卡盤(pán)進(jìn)行外圓定位裝夾，但是在實(shí)際加工過(guò)程中發(fā)現，采用這種裝夾方式，因為單動(dòng)卡盤(pán)不具有自定心功能，所以每一個(gè)卡爪都需要單獨裝夾，然后再逐個(gè)調節找正定心，比較耗費時(shí)間，尤其是在有一定批量的生產(chǎn)過(guò)程中，這種裝夾方式效率低，浪費了不少不必要的裝夾準備時(shí)間。為此，考慮嘗試采用自定心卡盤(pán)進(jìn)行裝夾定位，因為自定心卡盤(pán)具有自定心功能，所以零件裝夾后能夠很快實(shí)現裝夾定位及找正，可節省不必要的輔助準備時(shí)間，有效提高加工效率。經(jīng)過(guò)實(shí)際測算，采用自定心卡盤(pán)定位較單動(dòng)卡盤(pán)定位每個(gè)零件節省裝夾時(shí)間約0.5h。裝夾方式改進(jìn)前后對比如圖6所示。

圖6　裝夾方式改進(jìn)前后對比

此外，在鼓筒軸零件的車(chē)削加工過(guò)程中，由于采用的刀具種類(lèi)較多，操作人員需頻繁換刀、對刀，這就需要操作人員根據刀片尺寸及加工余量，通過(guò)計算，在機床系統中人為輸入刀補值。但是在實(shí)際加工過(guò)程中，經(jīng)常因為人為因素輸錯刀補造成零件超差或報廢?；诖?，為了盡量減少人為因素對零件加工質(zhì)量的影響，考慮采用參數化編程方式進(jìn)行程序防誤。參數化編程屬于自適應加工的一種典型應用，由于其特點(diǎn)是在參數化程序中設置變量，變量與變量之間可進(jìn)行邏輯運算，通過(guò)給參數變量地址中賦值，然后調用變量地址中的賦值進(jìn)行邏輯運算及邏輯判斷，因此，鼓筒軸零件參數化防誤程序就是根據工序余量安排，將零件加工前的外圓或內孔的徑向及軸向理論尺寸與實(shí)際測量尺寸分別賦值給不同的參數變量，并使參數變量與數控程序中校刀防誤語(yǔ)句進(jìn)行邏輯結合，這樣操作人員在啟動(dòng)加工程序后，按照已經(jīng)賦值的參數化防誤語(yǔ)句進(jìn)行校刀。

如果之前在機床系統中輸入相應參數變量的賦值有誤，那么在校刀過(guò)程中就會(huì )發(fā)現校刀距離過(guò)寬或者過(guò)窄，這樣操作人員就很容易發(fā)現問(wèn)題，從而重新確認之前參數的刀補賦值是否有誤，直到輸入正確的參數賦值后，校刀過(guò)程才能夠正常開(kāi)展，數控加工程序才能夠正常向后運行，這樣就可避免因刀補輸錯進(jìn)而引起零件加工質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生，有效保證了零件加工過(guò)程中的質(zhì)量穩定性和安全性。

2、 銑削工藝改進(jìn)

鼓筒軸零件的銑削加工主要是前后端“花邊”銑削。法蘭面“花邊”尺寸技術(shù)要求如圖7所示。法蘭端面在沿圓周方向上分布48處R6.35mm的半圓形“花邊”。在實(shí)際銑削加工過(guò)程中，“花邊”的銑削去除余量較大，存在刀具崩刃及磨損嚴重的問(wèn)題。

精加工后銑削“花邊”的表面粗糙度也難以滿(mǎn)足技術(shù)要求。為了解決這一問(wèn)題，從加工刀具及加工參數上進(jìn)行改進(jìn)。法蘭面“花邊”銑削加工改進(jìn)前后使用的刀具如圖8所示。改進(jìn)前采用φ11.8mm硬質(zhì)合金銑刀（未涂層），改進(jìn)后采用φ11.8mm硬質(zhì)合金涂層銑刀。法蘭面“花邊”銑削加工如圖9所示。

圖7　法蘭面“花邊”尺寸技術(shù)要求

圖8　法蘭面“花邊”銑削加工改進(jìn)前后使用的刀具

圖9　法蘭面“花邊”銑削加工

銑削刀具改進(jìn)的同時(shí)，在加工參數上也進(jìn)行相關(guān)切削試驗。未涂層與涂層硬質(zhì)合金銑刀加工參數對比見(jiàn)表3。通過(guò)刀具參數的優(yōu)化改進(jìn)，銑削加工效率得到一定的提升。改進(jìn)前“花邊”銑削時(shí)間為20min，改進(jìn)后約為15min。同時(shí)刀具消耗量明顯下降，改進(jìn)前銑削“花邊”需要消耗1支銑刀，刀具磨損較嚴重，零件表面質(zhì)量較差；改進(jìn)后的涂層刀具消耗量?jì)H1/3支，也就是說(shuō)，1支改進(jìn)后的涂層刀具可以完成3個(gè)零件的“花邊”銑削工作量，加工成本降低，同時(shí)零件“花邊”處的表面粗糙度完全滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表3　未涂層與涂層硬質(zhì)合金銑刀加工參數對比

四、 結束語(yǔ)

通過(guò)對航空鼓筒軸零件材料及結構特點(diǎn)進(jìn)行分析，對零件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。車(chē)削方面，分別進(jìn)行陶瓷刀具的應用改進(jìn)、裝夾方式的改進(jìn)以及參數化防誤程序的應用，提升了加工質(zhì)量與效率；銑削方面，著(zhù)重解決“花邊”銑削時(shí)刀具的磨損及表面粗糙度問(wèn)題，通過(guò)涂層刀具的應用、銑削加工參數的優(yōu)化，有效降低了刀具使用成本，提升了零件整體加工效率。