低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁加工技術(shù)研究

萬秀屏 姜功宇

摘 要：低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁屬于典型的錐盤類零件，該零件為關(guān)鍵件，零件結(jié)構(gòu)、形狀較為復(fù)雜，毛坯價(jià)格昂貴，且制造周期較長，其加工質(zhì)量直接影響到發(fā)動機(jī)的使用壽命和安全可靠性，因此控制零件的變形，對于保證零件的加工質(zhì)量，提高零件合格率至關(guān)重要。該文主要控制零件關(guān)重尺寸及技術(shù)條件變形超差，解決深腔型面加工中震紋，固化斜孔無法加工等瓶頸問題，為零件合格交付提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：支撐錐壁；變形控制；工藝方案；合格率

中圖分類號： V231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

低壓渦輪轉(zhuǎn)子錐盤類零件屬于新結(jié)構(gòu)，零件制造缺少借鑒經(jīng)驗(yàn)，很難滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。該文通過開展低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁加工技術(shù)研究攻關(guān)，掌握零件變形控制技術(shù)和變形規(guī)律，解決深腔型面加工中震紋、噴丸后關(guān)重尺寸變形超差等瓶頸問題，固化斜孔加工的刀具及切削參數(shù)、檢測方法；實(shí)現(xiàn)機(jī)加工藝過程穩(wěn)定，提高零件尺寸精度，保證支撐錐壁零件最終滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。主要工藝改進(jìn)措施包括：制定深腔斜孔加工中心工藝方案，防止加工中刀具干涉和刀具震顫問題，派制專用加長刀桿和刀具，適用于加工小端的深腔4-φ2斜孔；解決小端深腔型面加工中震紋問題，增強(qiáng)夾具剛性，優(yōu)化切削加工參數(shù)；掌握弱剛性薄壁復(fù)雜型面變形控制技術(shù)，優(yōu)化切削路線，確定最適合的切削方案，滿足零件尺寸精度、表面粗糙度和技術(shù)要求。

1 研究目標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)要求

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁屬于典型的錐盤類零件，該零件是關(guān)鍵件，材料為高溫合金（IN718），屬于難加工材料；支撐錐壁零件大端外圓φ720 mm，高268 mm，呈大碗型。零件外型面是帶有凸臺的長錐面；內(nèi)腔有多處封閉臺階式型腔，內(nèi)腔小端的軸頸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸頸上端有內(nèi)、外螺紋。大、小端的端面，臺階型腔的端面，內(nèi)外型面斜臂上均有功能不同的各種孔。零件機(jī)械加工后有噴丸技術(shù)要求，尺寸及技術(shù)條件數(shù)量多，精度高、要求嚴(yán)格，加工難度大。小端深腔型面加工過程中顫震與變形較大，進(jìn)退刀難度大，測量與觀察較難，嚴(yán)重影響零件加工的質(zhì)量。

1.2 主要影響因素分析

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁零件交付合格率較低，為了摸索影響零件加工中變形的主要工序和主要因素，積累零件變形規(guī)律，便于調(diào)整零件加工工藝方案。分析已經(jīng)交付的零件超差項(xiàng)，主要原因是：

（1）小端軸頸上的4-φ2斜孔，處在半封閉型腔中，加工中從小端無法進(jìn)刀，只能從大端進(jìn)刀，刀具與大端的封閉臺階式型腔干涉，普通刀具無法到達(dá)。

（2）小端內(nèi)腔的深腔屬于封閉型腔210 mm，型面由于加工時(shí)刀具懸伸長，普通車刀無法到達(dá)，車加工時(shí)產(chǎn)生震紋，缺少專用工裝，無法滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。

（3）零件噴丸后關(guān)重尺寸及配合尺寸和各孔位置度等超差嚴(yán)重，變形規(guī)律還需進(jìn)一步摸索。

2 開展的試驗(yàn)工作

2.1 加工工藝路線設(shè)計(jì)

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁零件毛坯采用整體坯料模鍛件，交付狀態(tài)：固溶、時(shí)效，高溫合金材料，該材料具有屈服強(qiáng)度高、塑性好，耐腐蝕、抗氧化、熱穩(wěn)定性好、韌性和延伸率大、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，尤其是合金中含有較高的金屬鈮，使該材料具有優(yōu)良的抗蠕變性能。由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁零件本身結(jié)構(gòu)和切削加工過程的復(fù)雜性以及材料的難加工性，極易出現(xiàn)彈性與殘余應(yīng)力變形、加工顫震與強(qiáng)迫震動，嚴(yán)重影響零件加工的質(zhì)量。

通過對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝性分析，考慮到零件的特殊結(jié)構(gòu)及材料的加工特點(diǎn)等因素，制定低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁零件主要加工工藝流程如下：毛料圖表→車超聲波檢查面→超聲波檢查→粗車→消除應(yīng)力熱處理→半精車→清洗→腐蝕檢查→修正平面→精車外型面→精車內(nèi)型面（預(yù)留工藝凸臺）→鉆孔和銑槽→鉆Φ2斜孔→去除工藝臺→標(biāo)印→鉆孔→銑花邊→噴丸→噴丸后修復(fù)→……最終檢驗(yàn)。

2.2 車削加工工藝方案研究

2.2.1 余量分配

為了減少加工余量對變形的影響，車超聲波面至粗車留余量2mm，粗車給半精車留余量1.5 mm，半精車給精車留余量1 mm，粗車按零件最終形狀加工，使余量分布均勻，避免半精車加工余量過大，內(nèi)應(yīng)力大，在應(yīng)力重新平衡后，會引起較大變形。

2.2.2 裝夾方式

由于支撐錐壁零件為薄壁結(jié)構(gòu)，為了減少加工變形，加工過程中零件的裝夾定位不能采用徑向直接夾緊的方式，而必須采用軸向定位、壓緊的方式進(jìn)行，因此半精車、精車需設(shè)計(jì)專用夾具，完成零件安裝定位和加工，盡量使定位基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)重合。加工內(nèi)型面時(shí)，壓緊方式較困難。精車加工內(nèi)型面時(shí)，有以下幾種壓緊方式，如果壓緊大端面，零件過高，呈懸空式，薄壁件，極容易變形；如果壓緊小端外表面，無法裝夾；如果壓緊小端內(nèi)表面，軸頸內(nèi)腔較小，可串芯軸和使用壓蓋，但加工內(nèi)腔時(shí)刀具的走刀行程受限，測具無法在機(jī)床上檢測零件。經(jīng)過專家評審，最后采用在小端預(yù)留工藝凸臺，壓緊小端外表面。車加工完成后，鉆和銑加工大端與內(nèi)外型面的孔、槽、花邊等工序，然后車掉工藝凸臺，最后加工小端端面與外型面上孔、槽等。

2.2.3 解決小端深腔型面加工中震紋問題

（1）小端深腔屬于封閉型腔，普通車刀無法到達(dá)，刀桿與大端的支撐懸臂結(jié)構(gòu)相干涉，派制專用車刀刀具，增強(qiáng)刀具的剛性，選擇合理的機(jī)夾刀具、切削參數(shù)和最佳的走刀加工路線，防止加工中震紋的產(chǎn)生。深腔走刀路線如圖，通過三把刀兩次接刀完成深腔加工。

（2）錐壁零件屬于易變形震顫的薄壁大型件，派制專用夾具工裝，增強(qiáng)夾具剛性，減少小端深腔底部震刀紋的產(chǎn)生。

（3）封閉環(huán)形腔，普通測具無法測量，保證圖紙要求。小端內(nèi)腔型面點(diǎn)、內(nèi)外圓直徑尺寸等，封閉環(huán)形深腔普通測具無法測量，派制專用標(biāo)準(zhǔn)件、測具，操作者控制數(shù)控程序上刀量，便于在機(jī)床上控制測量尺寸，提高零件合格率。

2.2.4 掌握弱剛性薄壁復(fù)雜型面變形控制技術(shù)

（1）零件高溫合金為難加工材料，內(nèi)、外型面長且為懸臂結(jié)構(gòu)零件剛性差，一次走刀無法完成，在加工過程中刀具易磨損、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。

為經(jīng)過該次加工優(yōu)化總結(jié)后的走刀路線，大斜壁采用三段程序接刀，通過改變之前的斜壁一次加工下來的方法，優(yōu)化切削路線，滿足零件尺寸精度和技術(shù)要求，對零件表面粗糙度也有很大改善，減少接刀痕跡的發(fā)生，并且有效延長刀具的使用壽命。

（2）零件型腔復(fù)雜，加工余量大，高溫合金材料難加工，對于外腔的型面點(diǎn)，派制專用測具，提高零件檢測的準(zhǔn)確性，控制零件加工上刀量，提高零件合格率。

（3）大端外圓加工中變形嚴(yán)重，噴丸前預(yù)留余量，增加噴丸前修復(fù)工序，保證設(shè)計(jì)圖紙尺寸及技術(shù)條件要求。

2.3 深腔斜孔加工中心工藝方案研究

研究深腔斜孔加工工藝方案，制定刀具切削加工方案，防止加工中刀具干涉和刀具震顫問題，派制專用加長刀桿和刀具，適用于加工小端的深腔4-φ2斜孔。

零件小端軸頸上的4-φ2斜孔（如圖1所示），處在半封閉型腔中，是零件加工中的瓶頸，加工時(shí)只能從大端軸頸內(nèi)孔處進(jìn)刀加工，刀具進(jìn)刀的內(nèi)孔直徑φ123 mm非常小，斜孔中心距離大端端面距離120 mm，刀具與大端的封閉臺階式型腔干涉，使機(jī)床主軸與刀具的直徑大小與長度受到制約。4-φ2孔在五坐標(biāo)加工中心設(shè)備上加工，基準(zhǔn)A、B表面，壓緊D表面，使用加長桿進(jìn)行加工，φ2鉸刀長28 mm；先在軸頸內(nèi)壁上用φ1銑刀锪平臺，防止加工中打滑；然后用φ1.85鉆頭鉆孔；最后用φ2鉸刀鉸孔；位置度應(yīng)用三坐標(biāo)測量，孔徑采用塞規(guī)測量。

3 結(jié)語

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁零件通過不斷摸索，固化了斜孔加工工藝方法，小端內(nèi)腔震紋得到了有效控制，減少內(nèi)外型面尺寸超差數(shù)量，加工過程中通過不斷優(yōu)化改進(jìn)，有效地提高了零件的合格率，2018年交付支撐錐壁零件合格率為95 %。

參考文獻(xiàn)

[1]《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊：發(fā)動機(jī)機(jī)械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.