文|中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 趙辭

整體葉環(huán)是新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的重要構(gòu)件，一般選用高溫合金材料。由于葉環(huán)類零件葉片沿軸向相互遮擋，葉片間距狹小，葉型扭角大，開放性差以及材料難加工，導(dǎo)致該類產(chǎn)品銑削加工時(shí)單一刀軸無(wú)法粗開槽加工，多軸聯(lián)動(dòng)粗開槽刀具損耗嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻余量粗開槽要求。本文以某型號(hào)整體葉環(huán)為載體，針對(duì)高溫合金整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展高效粗開槽技術(shù)試驗(yàn)研究，解決了高溫合金整體葉環(huán)零件粗開槽加工后余量不均勻、加工效率低和加工成本高的難題。

一、引言

隨著技術(shù)發(fā)展，高推重比是新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，因此發(fā)展和采用先進(jìn)的輕質(zhì)高性能材料與高結(jié)構(gòu)效率的整體、輕量化結(jié)構(gòu)是目前主要的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)輕量化材料的采用不僅使航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕，而且節(jié)省了大量復(fù)雜的零組件之間的裝配過(guò)程，減少了零件數(shù)量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，但也使機(jī)械加工技術(shù)難度大大提高。

整體葉環(huán)類零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的新結(jié)構(gòu)零件，本文研究的高溫合金整體葉環(huán)零件由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和葉片三部分構(gòu)成，零件的內(nèi)環(huán)和外環(huán)為薄壁結(jié)構(gòu)，葉片部位為典型的型腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)／外環(huán)與葉片的轉(zhuǎn)接R形狀復(fù)雜，且葉片型面比較復(fù)雜，扭角比較大，沿軸向觀察葉片相互遮擋，葉片間空間狹小，導(dǎo)致容刀空間小，需采用小直徑銑刀，導(dǎo)致加工時(shí)極易震顫、加工效率低且刀具損耗嚴(yán)重，加工過(guò)程必須采用適合的工藝方法才能保證高質(zhì)、高效且低成本的實(shí)現(xiàn)銑削開槽。該項(xiàng)整體葉環(huán)葉片銑削開槽方法針對(duì)該類整體葉環(huán)零件，采用多矢量驅(qū)動(dòng)固定軸分層、分區(qū)域?qū)拥你娤鞣绞剑瑧?yīng)用普通端銑刀實(shí)現(xiàn)均勻余量的粗開槽加工。

二、高溫合金整體葉環(huán)工藝性分析

1、高溫合金整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)

本文以某型號(hào)零件為載體,該零件閉式整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)，材料為高溫合金，葉環(huán)零件最大外側(cè)直徑尺寸：Φ530mm；最小內(nèi)側(cè)流道直徑尺寸：Φ460mm；零件厚度為30mm；葉片的最大弦寬尺寸：40mm；葉片總數(shù)：130片；相鄰葉片最小間距：約9mm；葉環(huán)內(nèi)外環(huán)厚度為2～5mm；葉片長(zhǎng)度約30～33mm；葉片表面形位公差要求較高，最嚴(yán)前緣輪廓公差±0.04mm，由于葉片間空間狹小，葉片部位扭角較大，葉片與內(nèi)外流道轉(zhuǎn)接R1.2mm。零件示意圖如圖1所示。

2、主要技術(shù)要求

整體葉環(huán)葉型主要技術(shù)要求：葉身型面前緣面輪廓度0.12mm，后緣輪廓度0.15mm，盆背輪廓度0.18mm，前緣厚度公差0.12mm、最大厚度公差0.2mm，后緣厚度公差0.1mm，弦長(zhǎng)公差0.2mm，換算扭角公差25′；葉身表面粗糙度Ra0.8μm，兩流道面粗糙度Ra0.8μm；葉片位置度為Φ0.15mm，流道面輪廓度為0.20mm。

圖1 閉式整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3、材料特性

高溫合金有許多高熔點(diǎn)合金元素，構(gòu)成了純度高、組織致密的奧氏體合金，切削加工時(shí)塑性變形大。其導(dǎo)熱率低，約為45#鋼的1/5～1/3。高溫合金中存在大量的碳化物、氮化物及金屬間化合物，特別是Ni3（Ti、Al、Nb）所形成的γ′相，在相當(dāng)高的溫度內(nèi)，隨溫度升高，硬度反而升高。在一定的溫度范圍內(nèi)，材料仍能保持相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度。

鑒于高溫合金材料的上述特性，使得高溫合金在切削加工時(shí)，切削載荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45#鋼的1.5～2倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750～1 000℃）下，刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損和氧化磨損；加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，已加工表面的硬化程度可達(dá)200%～500%。因此，高溫合金的可切削加工性能低，機(jī)械加工比較困難。

4、工藝性分析

據(jù)有關(guān)資料介紹，國(guó)外整體葉環(huán)類復(fù)雜一體化結(jié)構(gòu)零件通常采用電解、電蝕和復(fù)合加工等工藝方法。國(guó)內(nèi)蘇州電加工研究所和北京電加工研究所等單位研制出五軸電火花成型機(jī)床，能夠?qū)崿F(xiàn)整體葉環(huán)類復(fù)雜零件電火花成型加工。但是電火花加工后在零件表面會(huì)產(chǎn)生重熔層、熱影響區(qū)和微裂紋和積碳等問(wèn)題，需要采用磨粒流工藝進(jìn)行表面處理。但目前大尺寸整體葉環(huán)類零件的后續(xù)處理工藝無(wú)法滿足當(dāng)前生產(chǎn)需求，因此采用五坐標(biāo)數(shù)控加工是當(dāng)前的首選方案。

高溫合金整體葉環(huán)材料硬度高，葉片型面比較復(fù)雜，扭角比較大，葉片間空間狹窄，內(nèi)／外環(huán)與葉片的轉(zhuǎn)接圓角形狀復(fù)雜，加工過(guò)程中數(shù)控編程困難。同時(shí)，由于葉環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致容刀空間小，需采用小直徑銑刀，加工時(shí)極易震顫，難以保證加工質(zhì)量。

三、整體葉環(huán)高效粗開槽

針對(duì)整體葉環(huán)類零件葉片沿軸向相互遮擋，葉片間距狹小，葉型扭角大，單一刀軸無(wú)法粗開槽加工，多軸聯(lián)動(dòng)粗開槽刀具損耗嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻余量粗開槽等問(wèn)題，采用多矢量驅(qū)動(dòng)固定軸分層、分區(qū)域?qū)拥你娤鞣绞?，選擇合理端銑刀、銑削加工參數(shù)和加工工步實(shí)現(xiàn)整體葉環(huán)均勻余量銑削粗開槽。開槽去除實(shí)體的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 開槽去除實(shí)體的簡(jiǎn)化模型

1、分區(qū)域?qū)哟珠_槽的工步設(shè)計(jì)

根據(jù)高溫合金整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，制定整體葉環(huán)粗開槽銑削流程：進(jìn)氣端預(yù)鉆孔→①進(jìn)氣端型腔銑葉背→②進(jìn)氣端型腔銑葉盆→排氣端預(yù)鉆孔→③排氣端型腔銑葉盆→④排氣端型腔銑葉背→⑤銑排氣端流道及清根，加工工步示意圖如圖3所示，采用從進(jìn)排氣端兩側(cè)對(duì)接加工，兩側(cè)各加工50%左右距離。

圖3 整體葉環(huán)粗開槽銑削加工工步示意圖

2、預(yù)鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)整體葉環(huán)葉片間距大小和葉型的開敞情況合理選擇預(yù)鉆孔的直徑，如圖4～7所示，該葉型尺寸選擇預(yù)鉆孔直徑為8mm；根據(jù)葉型的扭轉(zhuǎn)情況合理選取預(yù)鉆孔矢量方向，使進(jìn)排氣邊預(yù)鉆孔貫穿，并位于葉片間居中位置，給予后續(xù)銑削良好的進(jìn)刀空間。

3、銑削用刀具選擇

由于該方法以降低刀具成本和提高加工效率為目的，因此選用標(biāo)準(zhǔn)的端銑刀進(jìn)行加工，并根據(jù)整體葉環(huán)葉片間距、葉型流道轉(zhuǎn)接R大小和加工強(qiáng)度需求，盡量選取較大刀具直徑，如例葉型最小流道寬度：8mm、轉(zhuǎn)接R2.5±0.5，并考慮刀軸擺動(dòng)空間等因素，選擇Φ6R1.5的端銑刀進(jìn)行加工。

圖4 進(jìn)氣端預(yù)鉆孔剖視圖

圖5 進(jìn)氣端預(yù)鉆孔俯示圖

圖6 排氣端預(yù)鉆孔剖視圖

圖7 排氣端預(yù)鉆孔俯示圖

4、加工矢量設(shè)計(jì)

根據(jù)加工工步安排和葉型扭轉(zhuǎn)情況，分區(qū)域調(diào)整刀軸矢量方向，對(duì)進(jìn)排氣邊葉盆、葉背選擇不同的刀軸方向，使刀軸矢量最大限度逼近所加工區(qū)域的葉型弦線，進(jìn)排氣邊葉盆、葉背及清根加工矢量示意圖如圖8、9所示。

圖8 進(jìn)氣邊葉盆、葉背所選擇的加工矢量示意圖

圖9 排氣邊葉盆、葉背及清根所選擇的加工矢量示意圖

5、加工軌跡設(shè)計(jì)

固定軸分層型腔銑的加工策略可以提高加工穩(wěn)定性，避免刀軸的劇烈變化帶來(lái)的切削力的劇增，同時(shí)采用預(yù)鉆孔圓弧進(jìn)刀的方式，有效降低進(jìn)刀量過(guò)大時(shí)對(duì)刀具的沖擊，并對(duì)不同的工步和切削區(qū)域的劃分選擇不同的刀軌形式，包括型腔銑回字型刀軌、型腔銑單側(cè)銑刀軌和清根加工刀軌等，如圖10～12所示。結(jié)合圖3工步示意圖，該零件①進(jìn)氣端型腔銑葉背及③排氣端型腔銑葉盆采用型腔銑回字型刀軌；②進(jìn)氣端型腔銑葉盆及④排氣端型腔銑葉背采用型腔銑單側(cè)銑刀軌；⑤銑排氣端流道及清根采用清根加工刀軌?？梢员苊馍芍丿B刀軌和較多空刀軌，極大地提高了材料去除率和加工效率。

圖10 型腔銑回字型刀軌

圖11 型腔銑單側(cè)銑刀軌

圖12 清根加工刀軌

6、切削參數(shù)選擇

切削參數(shù)的選取首先需要考慮刀具壽命保證刀具有足夠的切削壽命完成切削；同時(shí)盡量以一定的材料去除率提高加工效率；并兼顧獲得較均勻的加工余量。本高溫合金整體葉環(huán)粗銑時(shí)選擇每層切深為0.3～0.5 mm ，刀具每齒進(jìn)給0.03～0.05mm，切削速度為30～40 m/min。

四、粗開槽試驗(yàn)

在某型號(hào)零件工藝件上進(jìn)行試驗(yàn)加工，并在首件上完成試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)試驗(yàn)確定了粗銑工藝路線及刀具類型及尺寸、刀具壽命，切削參數(shù)。

粗開槽：S1500，F(xiàn)140；清根：S1500～S1800，F(xiàn)100～F200。刀具類型及尺寸：Φ6R1.5端銑刀；Φ5R1端銑刀。刀具壽命：Φ6R1.5端銑刀 1槽/把；Φ5R1端銑刀 3槽/把。驗(yàn)證結(jié)果：余量均勻0.5mm，加工時(shí)間80h。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用這種分層、分區(qū)域調(diào)整刀軸矢量方向的銑削方法，在非多軸聯(lián)動(dòng)銑削的情況下，使刀軌最大限度的逼近葉型曲面，保證粗加工后余量均勻的同時(shí)避免生成重疊刀軌和較多空刀軌，可以極大地提高了材料去除率和加工效率，實(shí)現(xiàn)葉環(huán)粗銑加工時(shí)間80h。通過(guò)對(duì)高溫合金整體葉環(huán)高效粗開槽技術(shù)的研究，解決了高溫合金整體葉環(huán)零件粗開槽加工后余量不均勻、加工效率低和加工成本高的難題。