楊 光 張世貴 喬 雷
(中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,四川 成都 610500)
某燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪第三級(jí)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(duì)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(duì)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(guò)零件的基礎(chǔ)情況、難點(diǎn)分析,采用相應(yīng)解決措施來(lái)控制封嚴(yán)環(huán)的技術(shù)質(zhì)量狀態(tài),以達(dá)到設(shè)計(jì)、裝配和性能要求。
動(dòng)力渦輪第三級(jí)空氣封嚴(yán)件為環(huán)形封嚴(yán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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
封嚴(yán)環(huán)的材料為耐蝕鋼,其材料成分見(jiàn)表1。零件在毛料狀態(tài)時(shí)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?cè)诰Ы绲钠?,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(wú)N、H、O等元素,由此可見(jiàn)材料的韌性很好,由于其韌0.875性高,因此其對(duì)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
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(dòng)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(guò)300g·cm。殘余不平衡量不應(yīng)超過(guò)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(jí)渦輪盤的后端面和后端面的內(nèi)徑相配合,并通過(guò)定位螺栓實(shí)現(xiàn)定位連接。其中徑向配合關(guān)系為過(guò)盈配合,過(guò)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。
變形是封嚴(yán)件機(jī)械加工中不可避免的問(wèn)題,也是對(duì)封嚴(yán)件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配符合性影響最大的因素。動(dòng)力渦輪第三級(jí)空氣封嚴(yán)件由于在整個(gè)部件中具有冷卻、燃?xì)庾韪舻闹匾饔茫虼烁鶕?jù)其結(jié)構(gòu)特性、材料特性、從毛坯到最終產(chǎn)品的全過(guò)程中加工應(yīng)力的釋放,封嚴(yán)齒在加工過(guò)程中的變形尤為突出,但為能滿足封嚴(yán)環(huán)的設(shè)計(jì)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(wú)法一次完成封嚴(yán)齒的切削,又因?yàn)樵摬牧蠈?duì)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(dòng)、尺寸的一致性。因此如何避免積屑瘤和接刀臺(tái)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(diǎn)和重點(diǎn)。
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(wú)法達(dá)到此要求,這就必須選擇加工精度等級(jí)更高的磨削工藝。因?yàn)椴捎媚ハ鞴に嚂?huì)增加尺寸鏈的長(zhǎng)度,所以對(duì)在工序上的尺寸精度的要求更加嚴(yán)格,給加工帶來(lái)更多的困難。同時(shí)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(shí)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。
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(gè)方面,封嚴(yán)環(huán)的變形控制主要從增加零件加工過(guò)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(guò)程中會(huì)有大量的材料內(nèi)應(yīng)力釋放。為了在精加工過(guò)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(guò)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(shí)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(wú)法直接保證與此基準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)計(jì)尺寸。這就需要根據(jù)各工序控制尺寸的加工、測(cè)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(jì)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(shí)為有效降低消應(yīng)力熱處理所帶來(lái)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(gè)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(hào)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(guò)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(duì)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(jì)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(jì)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(lái)的刀具和切削表面的熱量,避免刀具在高速切削過(guò)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(guò)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??刹捎脺p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(shí)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(jì)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??刹捎萌鐖D5所示的裝夾零件。夾具的設(shè)計(jì)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(wèn)題,采用12處均布的Z形壓板來(lái)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(shí)的方便性,夾具的支撐環(huán)設(shè)計(jì)成加高件,壓板設(shè)計(jì)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
綜上所述,該文通過(guò)掌握燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪第三級(jí)空氣封嚴(yán)件的基本情況,分析出零件的控制要點(diǎn)、難點(diǎn),并制定解決控制要點(diǎn)、難點(diǎn)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(guò)程中的變形控制要點(diǎn)、封嚴(yán)篦齒尺寸和技術(shù)要求的難點(diǎn)、磨削加工剛性不足等問(wèn)題,從而保證零件能滿足設(shè)計(jì)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。