梁永朝，張瀟，劉彥軍

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 上海 201306

1 序言

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

圖1 鼓筒軸在航空發(fā)動機聯(lián)接位置

鼓筒軸工作條件較為惡劣，它承受著極復(fù)雜的外載荷，包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力和振動等[2]。航空鼓筒軸屬于薄壁空腔結(jié)構(gòu)零件，整體剛性差，加工余量較大，加工效率低，同時加工精度要求高，加工過程易變形及產(chǎn)生振刀問題，加工工藝性差，屬于薄壁弱剛性零件。

2 零件材料特性及結(jié)構(gòu)特征

2.1 材料特性

高壓渦輪鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時效沉淀強化型鎳基高溫合金，被廣泛用于制造噴氣發(fā)動機的渦輪盤、渦輪軸、軸頸、封嚴(yán)環(huán)和葉片等高溫部件[3]。作為一種難加工材料，Inconel 718合金具有導(dǎo)熱性較差、加工硬化嚴(yán)重和易粘刀等特點，易造成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表面質(zhì)量差等問題。

Inconel 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。它是以體心立方晶格Ni3Nb（γ"）和面心立方晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）強化的鎳鐵基合金（通常稱為鎳基合金），從低溫到700℃以下具有高的屈服強度、拉伸強度和持久強度[4]。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(wěn)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(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重及排屑困難等[5]。典型Inconel 718高溫合金化學(xué)成分見表1。

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

Inconel 718（GH4169）高溫合金與其他工程材料的切削加工性比較如圖2所示，相比于其他材料，GH4169合金材料的切削加工性能偏低，屬于難加工材料[6]。鎳基高溫合金切削加工的主要問題表現(xiàn)在以下幾個方面。

圖2 Inconel 718（GH4169）高溫合金與其他工程材料的切削加工性比較

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(yán)重，機械磨損、粘結(jié)磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴(yán)重，刀具壽命明顯降低。

4）加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，已加工表面硬度可達(dá)基體硬度的1.5～2倍。

5）切屑硬而韌，不易折斷，造成切削過程中切屑處理困難。

2.2 零件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。同時，在沿著圓周方向上，花邊周圍分布著一圈螺栓孔，通過短螺栓分別與高壓壓氣機封嚴(yán)盤和高壓渦輪封嚴(yán)盤聯(lián)接。

圖3 高壓渦輪鼓筒軸零件

鼓筒軸零件結(jié)構(gòu)如圖4 所示，零件前端φ377.744mm外徑為徑向基準(zhǔn)，即基準(zhǔn)B，前端面為軸向基準(zhǔn)，即基準(zhǔn)A，平面度要求為0.025mm，前端分布48處R6.35mm“花邊”結(jié)構(gòu)。后端外徑為φ363.829mm，外徑相對于A、B基準(zhǔn)在自由狀態(tài)下的跳動要求為0.05mm，在約束狀態(tài)下的跳動要求為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(jié)構(gòu)。

圖4 鼓筒軸零件結(jié)構(gòu)

3 加工工藝方法

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

3.1 車削工藝改進(jìn)

鼓筒軸零件毛坯質(zhì)量約50kg，在零件最初開始試制時，粗車加工過程采用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，不利于大批量生產(chǎn)。為了盡快轉(zhuǎn)變加工現(xiàn)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，通過特殊生產(chǎn)工藝，使用現(xiàn)代化設(shè)備生產(chǎn)制造出來的。其特點為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)等，其切削加工效率為普通硬質(zhì)合金的3～9倍。陶瓷刀片（見圖5）為圓形，直徑為12.7mm。陶瓷刀車削特點是高轉(zhuǎn)速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。

圖5 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，因此加工過程中易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量差等問題發(fā)生。經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗，最終確定加工參數(shù)：切削速度為200m/min，進(jìn)給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時在基于前期多輪試驗的基礎(chǔ)上，對陶瓷刀具的進(jìn)刀方式進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)后的陶瓷刀切削進(jìn)刀方式如圖6所示。進(jìn)刀時，采用斜向進(jìn)刀與直線進(jìn)刀交替進(jìn)行的方式，其最大優(yōu)勢是刀具每次切削時，切削刃與工件的接觸點在不斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點的持續(xù)磨損，減小溝槽磨損的程度，減少換刀片的時間，同時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(shù)對比見表2。

圖6 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(shù)對比

在半精加工過程中，特別是在內(nèi)型面車削時，最初采用陶瓷刀去余量，之后采用硬質(zhì)合金刀具清根。但是由于在實際加工過程中，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(xù)采用陶瓷刀具進(jìn)行清根，大大縮短了換刀、對刀時間，加工效率也得到進(jìn)一步的提升。內(nèi)型面車削加工方式改進(jìn)前后對比如圖7所示。

圖7 內(nèi)型面車削加工方式改進(jìn)前后對比

在精車加工試制過程中，由于鼓筒軸零件結(jié)構(gòu)特點是壁?。ㄗ钚”诤?.54mm），零件裝夾后懸伸較長（前后端總長約251mm），屬于典型的弱剛性結(jié)構(gòu)。因此，加工過程中不可避免地出現(xiàn)振刀問題，進(jìn)而造成零件局部變形，同時出現(xiàn)車削后零件壁厚不均勻現(xiàn)象，滿足不了圖樣的表面粗糙度要求，以及沿著圓周方向壁厚變化量不能超過0.076mm的技術(shù)要求。針對這一問題，嘗試采用多種方法，比如優(yōu)化切削參數(shù)、調(diào)整走刀方式等，但實際效果并不明顯?？紤]到零件在經(jīng)過粗加工、半精加工后，大部分余量已經(jīng)去除，零件壁厚逐漸減薄，加之懸臂過長，車削過程中整體剛性減弱，尤其是內(nèi)壁加工處基本屬于空腔結(jié)構(gòu)，車削過程中振刀問題隨之產(chǎn)生，于是嘗試采用在零件外側(cè)纏繞橡膠繩套的方案，能夠有效增加零件懸臂剛性，降低車削過程中的“共振”現(xiàn)象，從而基本消除車削振刀問題，最終表面粗糙度及壁厚變化量均滿足技術(shù)要求。增加懸臂剛性后的加工效果如圖8所示。

圖8 增加懸臂剛性后的加工效果

在車削加工裝夾方式方面，粗車外形加工過程中，因為零件毛料為筒狀環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此最初加工時考慮到裝夾的穩(wěn)定性與可靠性，采用單動卡盤進(jìn)行外圓定位裝夾，但是在實際加工過程中發(fā)現(xiàn)，采用這種裝夾方式，因為單動卡盤不具有自定心功能，所以每一個卡爪都需要單獨裝夾，然后再逐個調(diào)節(jié)找正定心，比較耗費時間，尤其是在有一定批量的生產(chǎn)過程中，這種裝夾方式效率低，浪費了不少不必要的裝夾準(zhǔn)備時間。為此，考慮嘗試采用自定心卡盤進(jìn)行裝夾定位，因為自定心卡盤具有自定心功能，所以零件裝夾后能夠很快實現(xiàn)裝夾定位及找正，可節(jié)省不必要的輔助準(zhǔn)備時間，有效提高加工效率。經(jīng)過實際測算，采用自定心卡盤定位較單動卡盤定位每個零件節(jié)省裝夾時間約0.5h。裝夾方式改進(jìn)前后對比如圖9所示。

圖9 裝夾方式改進(jìn)前后對比

此外，在鼓筒軸零件的車削加工過程中，由于采用的刀具種類較多，操作人員需頻繁換刀、對刀，這就需要操作人員根據(jù)刀片尺寸及加工余量，通過計算，在機床系統(tǒng)中人為輸入刀補值。但是在實際加工過程中，經(jīng)常因為人為因素輸錯刀補造成零件超差或報廢?；诖耍瑸榱吮M量減少人為因素對零件加工質(zhì)量的影響，考慮采用參數(shù)化編程方式進(jìn)行程序防誤。參數(shù)化編程屬于自適應(yīng)加工的一種典型應(yīng)用，由于其特點是在參數(shù)化程序中設(shè)置變量，變量與變量之間可進(jìn)行邏輯運算，通過給參數(shù)變量地址中賦值，然后調(diào)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(shù)化防誤程序就是根據(jù)工序余量安排，將零件加工前的外圓或內(nèi)孔的徑向及軸向理論尺寸與實際測量尺寸分別賦值給不同的參數(shù)變量，并使參數(shù)變量與數(shù)控程序中校刀防誤語句進(jìn)行邏輯結(jié)合，這樣操作人員在啟動加工程序后，按照已經(jīng)賦值的參數(shù)化防誤語句進(jìn)行校刀（見圖10）。如果之前在機床系統(tǒng)中輸入相應(yīng)參數(shù)變量的賦值有誤，那么在校刀過程中就會發(fā)現(xiàn)校刀距離過寬或者過窄，這樣操作人員就很容易發(fā)現(xiàn)問題，從而重新確認(rèn)之前參數(shù)的刀補賦值是否有誤，直到輸入正確的參數(shù)賦值后，校刀過程才能夠正常開展，數(shù)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)量問題的發(fā)生，有效保證了零件加工過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性。

圖10 參數(shù)化防誤程序校刀示意

參數(shù)化防誤程序如下。

3.2 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11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”。在實際銑削加工過程中，“花邊”的銑削去除余量較大，存在刀具崩刃及磨損嚴(yán)重的問題。精加工后銑削“花邊”的表面粗糙度也難以滿足技術(shù)要求。為了解決這一問題，從加工刀具及加工參數(shù)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12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13所示。

圖11 法蘭面“花邊”尺寸技術(shù)要求

圖12 法蘭面“花邊”銑削加工改進(jìn)前后使用的刀具

圖13 法蘭面“花邊”銑削加工

銑削刀具改進(jìn)的同時，在加工參數(shù)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(shù)對比見表3。通過刀具參數(shù)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”銑削時間為20min，改進(jìn)后約為15min。同時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(yán)重，零件表面質(zhì)量較差；改進(jìn)后的涂層刀具消耗量僅1/3支，也就是說，1支改進(jìn)后的涂層刀具可以完成3個零件的“花邊”銑削工作量，加工成本降低，同時零件“花邊”處的表面粗糙度完全滿足技術(shù)要求。

表3 未涂層與涂層硬質(zhì)合金銑刀加工參數(shù)對比

4 結(jié)束語

通過對航空鼓筒軸零件材料及結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，對零件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。車削方面，分別進(jìn)行陶瓷刀具的應(yīng)用改進(jìn)、裝夾方式的改進(jìn)以及參數(shù)化防誤程序的應(yīng)用，提升了加工質(zhì)量與效率；銑削方面，著重解決“花邊”銑削時刀具的磨損及表面粗糙度問題，通過涂層刀具的應(yīng)用、銑削加工參數(shù)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。