楊 光 張世貴 喬 雷

（中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司，四川 成都 610500）

0 引言

某燃?xì)廨啓C(jī)的動力渦輪第三級空氣封嚴(yán)件在渦輪部件中采用篦齒封與蜂窩形成非接觸式密封結(jié)構(gòu)。封嚴(yán)件主要起到冷卻、燃?xì)庾韪?、軸承腔的滑油油氣阻隔等作用。該產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)對燃?xì)廨啓C(jī)的性能、壽命、可靠性、維修性有重要影響。因此研究如何對其變形進(jìn)行控制及封嚴(yán)齒的加工是很有必要的。該文主要通過零件的基礎(chǔ)情況、難點分析，采用相應(yīng)解決措施來控制封嚴(yán)環(huán)的技術(shù)質(zhì)量狀態(tài)，以達(dá)到設(shè)計、裝配和性能要求。

1 零件基礎(chǔ)情況

1.1 零件結(jié)構(gòu)特性

動力渦輪第三級空氣封嚴(yán)件為環(huán)形封嚴(yán)轉(zhuǎn)動件（圖1），最大外徑為1337.8mm，最小內(nèi)徑為1020.1mm，最大高度為8.5mm；封嚴(yán)環(huán)外徑有4個異形封嚴(yán)齒，封嚴(yán)齒的齒尖厚度為0.875mm；封嚴(yán)環(huán)的后端面有一圈燕尾形環(huán)槽；封嚴(yán)件3、4段封嚴(yán)齒的內(nèi)徑有一整圈徑向加強(qiáng)筋。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

1.2 材料特性

封嚴(yán)環(huán)的材料為耐蝕鋼，其材料成分見表1。零件在毛料狀態(tài)時已進(jìn)行了奧氏體化、淬火+回火，硬度值HRC32-38。降低鋼中的P、S、N、H、O以及其他有害元素的含量，可減少它們在晶界的偏聚，一方面有利于抑制回火脆性傾向，另一方面也使延遲破壞和環(huán)境脆化的敏感性大大下降，從而改善鋼的韌性。由表1可知，P、S的含量都很低，且無N、H、O等元素，由此可見材料的韌性很好，由于其韌0.875性高，因此其對高精密尺寸和高表面質(zhì)量的機(jī)械加工性能較差。

表1 化學(xué)成分

1.3 零件尺寸特性

零件尺寸的相關(guān)特性如下：1） 尺寸精度要求。軸向最小尺寸公差為±0.025，徑向最小尺寸公差為±0.05，角度最小公差為±0.25°，最小壁厚0.875（封嚴(yán)齒尖）。2） 表面粗糙度要求。封嚴(yán)環(huán)前端面和基準(zhǔn)外圓兩處表面粗糙度為Ra0.8，其余表面的粗糙度均為Ra1.6。3） 形位公差要求。封嚴(yán)環(huán)的平面度為0.02，平行度為0.02，垂直度為0.02，封嚴(yán)齒跳動為0.05，同心度為0.02。4） 靜平衡技術(shù)要求。封嚴(yán)環(huán)靜平衡轉(zhuǎn)速要求在不少于600r/min，初始不平衡量不得超過300g·cm。殘余不平衡量不應(yīng)超過30g·cm。5） 裝配要求。封嚴(yán)環(huán)的前端面和基準(zhǔn)外徑分別與三級渦輪盤的后端面和后端面的內(nèi)徑相配合，并通過定位螺栓實現(xiàn)定位連接。其中徑向配合關(guān)系為過盈配合，過盈量為0.255mm～0.45mm。封嚴(yán)環(huán)的篦齒與蜂窩內(nèi)圓間隙配合，徑向間隙為0.95mm～1.15mm，該間隙將影響燃機(jī)的工作性能。

2 加工難點分析及解決方法

2.1 加工難點分析

變形是封嚴(yán)件機(jī)械加工中不可避免的問題，也是對封嚴(yán)件產(chǎn)品的設(shè)計、裝配符合性影響最大的因素。動力渦輪第三級空氣封嚴(yán)件由于在整個部件中具有冷卻、燃?xì)庾韪舻闹匾饔?，因此根?jù)其結(jié)構(gòu)特性、材料特性、從毛坯到最終產(chǎn)品的全過程中加工應(yīng)力的釋放，封嚴(yán)齒在加工過程中的變形尤為突出，但為能滿足封嚴(yán)環(huán)的設(shè)計及裝配要求，這也是必須克服的。

由圖1可知，4處封嚴(yán)齒均為異型結(jié)構(gòu)，普通刀具無法一次完成封嚴(yán)齒的切削，又因為該材料對小余量的加工性較差、易形成積屑瘤，所以需要選用合適的刀具避免小余量的車削?？紤]封嚴(yán)環(huán)的經(jīng)平衡要求，須控制表面質(zhì)量、跳動、尺寸的一致性。因此如何避免積屑瘤和接刀臺產(chǎn)生、保證壁厚的均勻性和零件的同心度是封嚴(yán)齒加工的難點和重點。

封嚴(yán)環(huán)前端面和基準(zhǔn)外圓表面粗糙度為Ra0.8，要求較高，根據(jù)零件的材料特性，采用車削的方式無法達(dá)到此要求，這就必須選擇加工精度等級更高的磨削工藝。因為采用磨削工藝會增加尺寸鏈的長度，所以對在工序上的尺寸精度的要求更加嚴(yán)格，給加工帶來更多的困難。同時由于磨削拉應(yīng)力約是切削應(yīng)力的4倍，磨削產(chǎn)生的溫度是車削溫度的1.5～2倍，易產(chǎn)生因拉應(yīng)力和溫度同時作用的延遲裂紋。

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特性，再考慮零件的變形、封嚴(yán)齒的特性及裝夾的穩(wěn)定性，磨削加工的零件裝夾有很大的局限性。

2.2 解決方法

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特性、材料特性、材料應(yīng)力釋放和切削應(yīng)力4個方面，封嚴(yán)環(huán)的變形控制主要從增加零件加工過程的剛度、均勻釋放加工應(yīng)力、減少精加工應(yīng)力釋放、降低切削應(yīng)力和切削工藝的合理性等方面采取相應(yīng)的工藝措施。

封嚴(yán)環(huán)的毛坯質(zhì)量為529kg，成品件的質(zhì)量為80kg，材料的去除量為449kg，材料去除率為84.9%，在加工過程中會有大量的材料內(nèi)應(yīng)力釋放。為了在精加工過程中控制應(yīng)力釋放的大小和均勻性，在工序上優(yōu)先采用粗加工并輔助熱處理的方法，以達(dá)到精加工工序中降低材料應(yīng)力的目的；為控制精加工過程中應(yīng)力釋放的大小和均勻性，在工藝上進(jìn)行細(xì)、精加工工序安排，并控制各工序的加工余量的一致性。為充分釋放細(xì)、精加工的應(yīng)力，需要在工序完成后靜置24小時以上，以達(dá)到應(yīng)力充分釋放的目的；為有效保證封嚴(yán)件裝配表面的粗糙度，在精車封嚴(yán)齒后采用磨削工藝加工，具體工藝路線如圖2所示。由于封嚴(yán)件的軸向基準(zhǔn)為大端安裝面。而為保證其表面粗糙度，該表面的最終加工安排在工藝路線的末端，因此在工藝上無法直接保證與此基準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)計尺寸。這就需要根據(jù)各工序控制尺寸的加工、測量難易程度，借助尺寸鏈工具調(diào)整細(xì)車、精車、磨削工序上的尺寸及公差，以確保封嚴(yán)件的最終尺寸滿足設(shè)計及裝配要求。

圖2 工藝路線

綜合考慮封嚴(yán)件的工藝質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，采用電爐設(shè)備進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。在消應(yīng)力熱處理后，根據(jù)零件的材料特性和結(jié)構(gòu)特性，變形量約為0.6～0.8mm，為確保熱處理后細(xì)、精加工的合理余量，在消應(yīng)力熱處理之前應(yīng)控制零件2mm的均勻余量，同時為有效降低消應(yīng)力熱處理所帶來的零件變形、提高后工序的加工工藝性，在消應(yīng)力熱處理前封嚴(yán)件的圓度和平面度均嚴(yán)格控制在不大于0.05mm。為進(jìn)一步釋放材料的內(nèi)應(yīng)力、降低精車工序零件的變形，細(xì)車工序加工去除量應(yīng)為1.2mm，精車工序加工去除量應(yīng)為0.8mm，磨工序加工去除量應(yīng)為0.2mm。

考慮零件變形的控制，為保證每個工步都保留最大的剛性，依次加工區(qū)域A、B、C、齒1、齒2、齒3、齒4，最后依次加工4、3、2、1號齒外圓，如圖3所示。

圖3 封嚴(yán)篦齒加工工步

考慮零件的靜平衡要求，需要避免封嚴(yán)篦齒在加工過程中刀具磨損和積屑瘤的產(chǎn)生，從零件的結(jié)構(gòu)特性、材料特性、加工工藝參數(shù)等方面選取刀具的特征如下。A區(qū)域選擇30°，R0.8的左、右手偏刀加工，在R處接刀；B、C區(qū)域選擇R2的球頭切刀刀片，刀桿為30°專用刀桿加工，如圖4（a）所示；齒1、2、3、4選擇用R1.5的球頭帶徑向排屑槽的刀片，刀桿為30°專用刀桿加工，如圖4（b）所示；齒頂選擇用85°，R0.8的偏刀加工。；由于材料的硬度為32-38HRC，對刀具的磨損較為嚴(yán)重，故選用MTCVDTiCN-Al2O3多層涂層的硬質(zhì)合金刀片，以提高刀具的耐磨性。

圖4 專用刀桿

選擇粗車參數(shù)的依據(jù)主要是能否提高加工效率，加工變形并不是主要的考慮因素，而更大切削深度是最有效提高加工效率的方法；選擇精車參數(shù)的依據(jù)主要是能否控制零件變形、提高表面質(zhì)量、保證設(shè)計尺寸及技術(shù)條件要求，而加工效率并非主要考慮因素。小切削深度、高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給的加工方式可以均勻地釋放較小的材料內(nèi)應(yīng)力，故能更好地控制加工變形，保證設(shè)計尺寸和技術(shù)條件。因此粗、細(xì)、精加工參數(shù)如下。1） 粗車，選擇大切深、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的方式加工。切削深度0.8mm，轉(zhuǎn)速40m/min，進(jìn)給10mm/min。2） 細(xì)車，切削深度0.4mm，轉(zhuǎn)速60m/min，進(jìn)給15mm/min。3） 精車，是在避免刀具產(chǎn)生積屑瘤的情況下盡量減少切深，提高轉(zhuǎn)速和進(jìn)給的加工方式。采用高壓冷卻系統(tǒng)降低因高速切削帶來的刀具和切削表面的熱量，避免刀具在高速切削過程中產(chǎn)生積屑瘤，以此提高刀具壽命和零件整體車削加工質(zhì)量。

通過分析可知，磨削加工所產(chǎn)生的延遲裂紋是由磨削拉應(yīng)力和切削熱共同作用下所產(chǎn)生的。因此控制磨削拉應(yīng)力和磨削熱是解決延遲裂紋的主要方法。可采用減小磨除單位體積材料的低應(yīng)力磨削方法。該磨削方法切削體積小，可降低磨削產(chǎn)生熱量，增加冷卻液的流量、壓力，同時采用多角度的冷卻方式可有效冷卻磨削區(qū)域。

從圖5可以看出，零件在磨削大端面及外圓需要特殊定制零件裝夾工裝。工裝的設(shè)計須從零件的裝夾剛性、支撐穩(wěn)定性、定位可靠性、變形可控性、操作方便性方面考慮。可采用如圖5所示的裝夾零件。夾具的設(shè)計主要考慮了如下內(nèi)容：1）由于支撐面較小，考慮裝夾的剛性問題，采用12處均布的Z形壓板來裝夾零件。2） 為控制零件的裝夾變形和磨削變形，夾具采用12處均布的可調(diào)螺釘作為輔助支撐。3） 考慮夾具在使用時的方便性，夾具的支撐環(huán)設(shè)計成加高件，壓板設(shè)計為“Z”字型壓板，以便操作工人有足夠的空間裝夾、調(diào)整夾具。

圖5 磨削夾具圖

3 結(jié)語

綜上所述，該文通過掌握燃?xì)廨啓C(jī)的動力渦輪第三級空氣封嚴(yán)件的基本情況，分析出零件的控制要點、難點，并制定解決控制要點、難點的工藝方案，包括工藝路線的制定、加工余量分配、車削封嚴(yán)齒的加工方法和磨削加工工裝的確定。最終解決了零件在加工過程中的變形控制要點、封嚴(yán)篦齒尺寸和技術(shù)要求的難點、磨削加工剛性不足等問題，從而保證零件能滿足設(shè)計技術(shù)要求和裝配要求，使封嚴(yán)件能夠滿足其在使用中的性能需求。