黃強(qiáng)
中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 陜西西安 710021
航空封嚴(yán)二級(jí)盤剛性差,在裝夾過(guò)程中因受到夾緊力、支撐力、切削力和殘余應(yīng)力的影響,極易產(chǎn)生變形,導(dǎo)致零件加工后出現(xiàn)變形,孔加工后精度較差。通過(guò)對(duì)二級(jí)盤零件結(jié)構(gòu)及定位尺寸進(jìn)行分析,選擇穩(wěn)定、可靠的定位裝夾方式,設(shè)計(jì)適用于零件孔加工輔助支撐夾具,保證被加工零件在夾具上獲得最佳的定位位置,在加工過(guò)程中,防止由于切削力改變導(dǎo)致零件位置改變使零件產(chǎn)生變形。通過(guò)對(duì)刀具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化孔加工策略,提出航空封嚴(yán)二級(jí)盤孔加工工藝方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
航空封嚴(yán)二級(jí)盤零件材料為GH4720Li合金,該合金是一種高性能且以鉬、鎢、鉻、鈷固溶強(qiáng)化的高強(qiáng)度和耐腐蝕的新型鎳基變形高溫合金,其合金化程度非常高。該合金中的Ti和Al元素含量之和高達(dá)7.5%,合金中的主要強(qiáng)化相γ′體積分?jǐn)?shù)超過(guò)40%,因此具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和較高的使用溫度,其主要用于在650~750℃使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)二級(jí)盤(見(jiàn)圖1)和渦輪盤,以及在短時(shí)間內(nèi)用于在900℃使用的渦輪盤零件中。
圖1 航空封嚴(yán)二級(jí)盤
GH4720Li合金是在GH4720的基礎(chǔ)上改良設(shè)計(jì)的,GH4720Li合金通過(guò)降低高溫合金中Co、C和B的含量而發(fā)展起來(lái)的。Co含量的降低使合金析出拓?fù)涿芏严嗟膬A向性下降,降低間隙元素C和B含量,使晶界上鏈狀碳化物和硼化物的數(shù)量逐漸減少,使合金的組織穩(wěn)定性及綜合力學(xué)性能得到提高。GH4720Li合金作為航空封嚴(yán)二級(jí)盤常用材料,其高溫下的抗氧化性能強(qiáng),是設(shè)計(jì)制造發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)良材料,其合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 GH4720Li合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
GH4720Li是一種高強(qiáng)度、高硬度鎳基變形高溫合金,在650~750℃高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)試切試驗(yàn),分析GH4720Li在切削時(shí)有以下特點(diǎn)。
(1)材料彈性變形大 零件在加工時(shí),切屑在刀具前刀面上的滑動(dòng)摩擦大,加工后零件表面回彈量大,刀具后刀面與零件摩擦嚴(yán)重,加工后零件表面質(zhì)量較差。
(2)材料黏性大 切削過(guò)程中不易斷屑,切屑纏繞使切削熱不能及時(shí)散去,且易劃傷零件已加工表面。
(3)材料的導(dǎo)熱性差 切削區(qū)域溫度高,加工后材料易產(chǎn)生塑性變形。
航空封嚴(yán)二級(jí)盤零件為旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),零件最大外徑尺寸φ144.4mm,內(nèi)孔尺寸φ75.75mm,總高度19.2mm,壁厚尺寸1.0~1.5mm,零件前端中部腹板上沿徑向均布40個(gè)孔,孔徑孔位置度0.1mm(見(jiàn)圖2)。二級(jí)盤的前端有兩處不規(guī)則的端面槽,端面槽沿著與徑向成不同角度的軸線分別向內(nèi)、外延伸形成上、下凹槽,二級(jí)盤后端由端面槽與圓弧面組成。在孔加工時(shí),零件定位面及支撐面較小,定位面與壓緊面可靠性差,定位裝夾穩(wěn)定性差,使用夾具裝夾時(shí),零件受壓板的壓緊力與零件內(nèi)部支撐力相互作用,使零件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,加工后零件變形,孔加工精度較差。
圖2 孔及圓弧槽示意
封嚴(yán)二級(jí)盤徑向孔所在外圓距離封嚴(yán)齒齒頂距離20mm,使用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭及擴(kuò)孔刀加工時(shí),小直徑刀具懸伸較長(zhǎng),刀具在切削過(guò)程中由于跳動(dòng)較大,導(dǎo)致加工后孔表面質(zhì)量較差、孔徑公差及位置精度較難保證。刀具切削時(shí)跳動(dòng)過(guò)大,會(huì)加速鉆尖磨損,縮短刀具使用壽命,甚至導(dǎo)致斷刀,嚴(yán)重影響零件孔加工合格率及穩(wěn)定性。
(1)精度高 孔徑公差嚴(yán),位置精度要求較高。
(2)定位結(jié)構(gòu)差 定位面及壓緊面較小,定位可靠性差,定位裝夾穩(wěn)定性差。
(3)加工工藝性差 孔加工刀具懸伸長(zhǎng),加工后孔精度差,易斷刀。
控制定位裝夾變形是保證封嚴(yán)二級(jí)盤零件孔加工質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)二級(jí)盤零件結(jié)構(gòu)尺寸及變形進(jìn)行分析,在眾多的孔加工工藝方案中,如鉆床鉆孔、電火花加工孔和加工中心鉆孔等,裝夾方案均是影響孔加工質(zhì)量的重要因素。夾具與零件定位面及壓緊面的選擇對(duì)零件加工質(zhì)量有很大影響,目前在夾具設(shè)計(jì)時(shí)普遍存在的問(wèn)題是:設(shè)計(jì)隨意性大、規(guī)范性和可替換性差;夾具設(shè)計(jì)資源沒(méi)有得到有效管理,不同夾具之間通用性較差;夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量取決于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)技術(shù),夾具設(shè)計(jì)后優(yōu)化較少。因此,二級(jí)盤零件夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量是影響孔加工工藝的關(guān)鍵因素。
封嚴(yán)二級(jí)盤在定位時(shí),在不同的夾具定位結(jié)構(gòu)、壓緊點(diǎn)布局、夾緊力的情況下進(jìn)行定位裝夾,產(chǎn)生的裝夾變形完全不同,壓緊時(shí)在零件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也不相同,不同的殘余應(yīng)力會(huì)使零件產(chǎn)生不規(guī)則的變形。夾具壓板在零件外圍的分布情況構(gòu)成了夾具的壓緊力布局;夾緊壓板對(duì)零件施加用于壓緊零件、使零件在切削時(shí)保持穩(wěn)定的作用力;夾具布局和夾緊力相互影響,共同作用于被加工的零件,制約并影響零件的加工質(zhì)量。
對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的零件,加工工藝方法相同時(shí),若夾具設(shè)計(jì)不同,其所需的夾緊力大小也不相同。在不同的夾具設(shè)計(jì)和夾緊力作用下,零件壓緊時(shí)因所受外力不同,導(dǎo)致零件的定位剛性也不相同,加工后零件的變形量則不同,導(dǎo)致產(chǎn)生不同的加工誤差。選擇合理的夾具布局和適當(dāng)?shù)膴A緊力,使零件加工變形小,可提高加工質(zhì)量;相反則會(huì)增大加工變形。所以,夾具結(jié)構(gòu)的合理性和夾緊力的大小是夾具設(shè)計(jì)的重要方面。
封嚴(yán)二級(jí)盤零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是尺寸小、型面復(fù)雜、壁薄且零件定位裝夾繁瑣。對(duì)于涉及孔加工的零件,其定位方法很多,但對(duì)于型面復(fù)雜、零件定位面剛性差及定位面與夾具很難形成有效接觸的零件,常規(guī)定位夾具無(wú)法對(duì)零件進(jìn)行定位,由于缺乏穩(wěn)定可靠的定位夾緊面,零件在加工時(shí)懸空,受力不均衡,零件薄壁部分在加工后會(huì)發(fā)生翹曲變形,零件孔在加工后位置精度差,這種常規(guī)夾具定位可靠性差,夾具對(duì)零件無(wú)法進(jìn)行有效夾緊,零件在加工后變形無(wú)法修復(fù)。因此,為提高導(dǎo)流封嚴(yán)盤零件小孔加工的可靠性,消除零件定位時(shí)的不穩(wěn)定因素,設(shè)計(jì)了用于二級(jí)盤孔加工的輔助支撐夾具,確定合理的定位面及支撐面,從而達(dá)到改善定位狀態(tài)、提高零件定位精度和零件孔加工合格率的目的。
通過(guò)對(duì)封嚴(yán)二級(jí)盤零件結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了一種用于封嚴(yán)二級(jí)盤零件孔加工的輔助支撐夾具,在零件圓弧定位部分設(shè)置了浮動(dòng)環(huán),有效地提高了零件的整體剛性。通過(guò)設(shè)置“弓”形壓板,既保證了零件夾緊的可靠性,又縮小了夾具外部結(jié)構(gòu)尺寸,避免鉆頭在鉆孔加工時(shí)與夾具干涉,“弓”形壓板較普通的平壓板節(jié)省空間,加工小孔時(shí),刀具可最大程度地接近被加工工件,刀柄距離零件越近,可設(shè)計(jì)的刀具剛性越好,如圖3所示。
圖3 封嚴(yán)二級(jí)盤零件孔加工輔助支撐夾具
封嚴(yán)二級(jí)盤小孔加工的定位支撐夾具設(shè)有夾具底座,底座兩端分別設(shè)置“U”形槽;夾具底座中心設(shè)置圓柱形套筒,套筒上端沿圓周方向設(shè)置環(huán)形槽,環(huán)形槽中沿底座的中心均勻設(shè)置聯(lián)接孔,圓柱形套筒沿徑向均勻設(shè)置螺紋底孔;夾具底座上端中心位置設(shè)計(jì)通孔,且上端沿周向均勻分布螺紋底孔。
定位支撐夾具底座上端環(huán)形槽中設(shè)置浮動(dòng)環(huán),浮動(dòng)環(huán)的下端設(shè)置支撐銷,支撐銷穿設(shè)在聯(lián)接孔中,支撐銷的下端與支撐板聯(lián)接,浮動(dòng)環(huán)上放置零件。所述夾具底座上端面設(shè)置壓蓋,壓蓋上穿設(shè)有內(nèi)六角圓柱頭螺釘,所述螺釘與壓蓋中間穿設(shè)開(kāi)口墊圈,如圖4所示。
圖4 定位支撐夾具
夾具底座沿徑向設(shè)置壓板,壓板中間穿設(shè)有內(nèi)六角圓柱頭螺釘,所述壓蓋中心穿設(shè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘,內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)牧硪欢伺c支撐板聯(lián)接,內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)南露嗽O(shè)置球面墊圈和六角薄螺母。
夾具底座與圓柱形套筒為一體化設(shè)計(jì),螺紋底孔和聯(lián)接孔設(shè)置于同心的圓周上,其特征在于:螺紋底孔設(shè)置3處,聯(lián)接孔設(shè)置3處。所述的開(kāi)口墊圈設(shè)置3個(gè),螺釘設(shè)置3個(gè)。支撐銷設(shè)置3個(gè),壓板設(shè)置5個(gè),內(nèi)六角圓柱頭螺釘設(shè)置5個(gè),六角薄螺母設(shè)置2個(gè)。內(nèi)六角圓柱頭螺釘穿設(shè)于支撐板的中心孔,其末端與球面墊圈及六角薄螺母聯(lián)接。
(1)工作原理介紹 通過(guò)設(shè)置“弓”形壓板,縮小了夾具整體外部結(jié)構(gòu)的尺寸,壓緊“弓”形壓板前,擰緊螺釘,螺釘受力F1帶動(dòng)“弓”形壓板沿S1方向向夾具中心位置移動(dòng),壓板下方與夾具接觸處為角度斜面,壓板沿S1方向移動(dòng)的同時(shí)沿S2方向斜向下滑動(dòng),進(jìn)一步帶動(dòng)“弓”形壓板沿S3方向向下移動(dòng),壓板與零件接觸面受力向下沿S4壓緊零件,如圖5所示。
圖5 “弓”形壓板工作原理
“弓”形壓板用壓緊螺釘壓緊時(shí),在夾具本體上設(shè)置與“弓”形壓板配合的凹槽,“弓”形壓板的寬度略窄于凹槽的寬度,壓緊螺釘時(shí),“弓”形壓板的下端被限制在凹槽中,可以防止壓板繞凸起轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致脫離工件,提高“弓”形壓板壓緊的穩(wěn)定性,如圖6所示。
圖6 “弓”形壓板定位
通過(guò)設(shè)置輔助支撐,擰緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘(見(jiàn)圖7),螺釘沿T1方向向上拉緊螺桿,螺釘下方通過(guò)設(shè)置球面墊圈和六角薄螺母并與支撐板聯(lián)接,螺桿拉動(dòng)支撐板沿T2方向向上移動(dòng),支撐板上設(shè)置了3處支撐銷,支撐銷受力頂起浮動(dòng)環(huán),使浮動(dòng)環(huán)沿T3方向支撐零件下端,對(duì)零件形成輔助支撐作用。輔助支撐使用時(shí),螺釘末端的兩個(gè)六角薄螺母相互鎖緊,球面墊圈為活動(dòng)墊圈,墊圈與支撐板的配合面做研磨處理并涂覆潤(rùn)滑油,支撐銷沿周向設(shè)置3處,可以防止螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)支撐板整體轉(zhuǎn)動(dòng),提高零件定位精度及穩(wěn)定性。
圖7 輔助支撐工作原理
(2)夾具使用方法 ①將夾具底座放在數(shù)控加工中心工作臺(tái)上,用螺釘穿過(guò)夾具底座兩端設(shè)置的開(kāi)口“U”形槽,將夾具底座固定在工作臺(tái)上。②安裝航空封嚴(yán)二級(jí)盤零件時(shí),將零件放置在浮動(dòng)環(huán)上,轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)六角圓柱頭螺釘,拉動(dòng)支撐板向上移動(dòng),支撐板帶動(dòng)3個(gè)支撐銷向上移動(dòng),支撐銷將浮動(dòng)環(huán)頂起,使浮動(dòng)環(huán)的上端定位面與零件的下端定位面貼合。③依次安裝“弓”形壓板,安裝時(shí),將壓板的上端定位面壓在零件的端面上,壓板的下端與圓柱形套筒的“V”形槽貼合,擰緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘,壓板受力壓緊零件。④安裝壓蓋,壓蓋的下端定位面與封嚴(yán)二級(jí)盤上端面貼合,分別安裝3處開(kāi)口墊圈及3處內(nèi)六角圓柱頭螺釘,擰緊內(nèi)六角圓柱頭螺釘,使壓蓋固定。⑤安裝刀具,加工零件的徑向小孔。
(3)夾具使用注意事項(xiàng) “弓”形壓板壓緊時(shí),首先應(yīng)以較小壓緊力將壓板依次固定,再使用合適的壓緊力將壓板壓緊,避免直接壓緊壓板導(dǎo)致零件受力不均而產(chǎn)生壓緊變形。
使用扳手?jǐn)Q緊螺釘時(shí),可使用扭矩扳手,扳手預(yù)緊力選擇5N·m,5處“弓”形壓板的壓緊力應(yīng)保持一致。
使用輔助支撐時(shí),施加在內(nèi)六角圓柱頭螺釘上的拉緊力應(yīng)適當(dāng),以浮動(dòng)環(huán)接觸零件下端圓弧面為宜,實(shí)際操作時(shí),可在零件小端面處壓上杠桿百分表,調(diào)整輔助支撐時(shí),應(yīng)控制零件小端面受力后變化量≤0.005mm。
與常規(guī)定位夾具相比,封嚴(yán)二級(jí)盤小孔加工的定位支撐夾具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1)夾具通過(guò)設(shè)置可調(diào)整的浮動(dòng)環(huán),通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)六角圓柱頭螺釘,使浮動(dòng)環(huán)的位置上、下調(diào)整,以適應(yīng)不同導(dǎo)流封嚴(yán)盤零件的定位要求。調(diào)整浮動(dòng)環(huán)后,二級(jí)盤零件下端面與浮動(dòng)環(huán)上端面貼合,以此提高零件自身剛性,消除或減弱零件在壓緊狀態(tài)下因剛性不足產(chǎn)生的壓緊變形,提高浮動(dòng)環(huán)與零件的配合精度。
2)夾具通過(guò)設(shè)置“弓”形壓板,縮小了夾具整體外部結(jié)構(gòu)的尺寸,使壓板向下壓緊零件,保證了零件夾緊的可靠性,避免鉆頭在鉆孔加工時(shí)與夾具干涉,夾具節(jié)約的空間,為刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
3)夾具通過(guò)設(shè)置壓蓋,壓蓋外圓與二級(jí)盤零件的孔壁內(nèi)側(cè)貼合,提高了零件孔壁的剛性,蓋板外圓處設(shè)置有空刀槽,避免鉆頭加工時(shí)與壓蓋干涉,利于孔加工排屑。
按通常的概念,深孔是指長(zhǎng)徑比L/D>5~20的孔,對(duì)于封嚴(yán)二級(jí)盤零件,孔的有效深度只有2mm,但由于零件結(jié)構(gòu)限制,加工刀具需伸長(zhǎng)至20mm,否則刀柄會(huì)與零件外圓處封嚴(yán)齒頂干涉。零件孔加工采用麻花鉆,在普通鉆床或加工中心上進(jìn)行加工。零件孔加工屬于半封閉式切削,在加工孔時(shí)主要存在斷屑難、排屑不暢、散熱差和導(dǎo)向不穩(wěn)定等問(wèn)題,在使用較長(zhǎng)的刀具加工二級(jí)盤零件的孔時(shí)表現(xiàn)得更為明顯,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:刀具直徑小,鉆孔時(shí)不能目視觀察刀具的切削情況,鉆孔過(guò)程中只能通過(guò)聽(tīng)聲音、觀察切屑排出情況、觀察儀表負(fù)載的變化及刀具振動(dòng)等情況,來(lái)判斷鉆孔加工過(guò)程是否正常;鉆頭的長(zhǎng)徑比較大,刀桿細(xì)而長(zhǎng),刀具剛性差,高速旋轉(zhuǎn)后跳動(dòng)大,刀具振動(dòng)較大,鉆孔時(shí)會(huì)偏斜,加工后,孔的尺寸精度和表面粗糙度較差;切屑排出困難,刀具伸入二級(jí)盤零件端面槽內(nèi),切削液無(wú)法直接澆注到切削部位,加工時(shí)產(chǎn)生的切屑不易排出,導(dǎo)致切削力增大,刀具磨損較快,縮短刀具壽命;切削時(shí)散熱較差,刀具切削環(huán)境差;為了使切削斷屑,刀具設(shè)計(jì)有分屑、斷屑槽,刀具設(shè)計(jì)制造成本高。
分析封嚴(yán)二級(jí)盤零件結(jié)構(gòu)尺寸認(rèn)為,在零件使用專用定位支撐夾具后,零件定位剛性較好,零件定位后變形較小,可充分利用零件結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)剛性較好的變徑加工刀具。變徑刀具(見(jiàn)圖8b)前端切削刃部分直徑為1.73mm,有效切削長(zhǎng)度5mm,刀具后端直徑為2.4mm,與前端帶切削刃部分圓滑過(guò)渡,避免刀具制造及加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中使刀具斷裂。為最大程度縮短刀具懸伸部分的長(zhǎng)度,裝夾選擇錐形刀柄,錐形前端刀柄與零件封嚴(yán)齒頂保持最小0.5mm間隙,變徑刀具后端2.4mm直徑與二級(jí)盤端面間隙0.1mm。變徑刀具由于直徑較大,刀具懸伸部分較短,刀具制造及安裝精度提高,刀具安裝后在機(jī)床上跳動(dòng)可控制在0.01mm以內(nèi)。鉆頭加工時(shí),刀具切削穩(wěn)定,刀具壽命滿足設(shè)計(jì)使用壽命,孔加工后尺寸滿足要求。
圖8 刀具加工示意
根據(jù)封嚴(yán)二級(jí)盤孔加工工藝和刀具方案,選用株洲鉆石生產(chǎn)的φ1.73mm硬質(zhì)合金涂層變徑鉆頭,進(jìn)行鉆孔加工試驗(yàn),鉆孔加工表面粗糙度值應(yīng)滿足Ra=1.6μm。
機(jī)床選用菲迪亞HS664帶轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心,最高額定轉(zhuǎn)速為20000r/min,最高進(jìn)給速度為8000mm/min,主軸功率為65kW,刀具夾持使用錐形刀柄。鉆孔加工參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 φ1.73mm鉆頭切削試驗(yàn)
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)同批次二級(jí)盤零件按照每7件為一組進(jìn)行鉆孔試驗(yàn),通過(guò)對(duì)不同加工參數(shù)、方法加工后的零件端面變形及孔表面粗糙度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)比鉆孔加工前后的零件端面的變形量及加工后的合格率,在使用專用定位支撐夾具后,零件加工前、后變形均滿足要求,鉆孔切削速度較低時(shí),加工后孔表面質(zhì)量較好,切削進(jìn)給速度越高,孔加工效率越高,但加工后孔表面質(zhì)量不穩(wěn)定。
通過(guò)試驗(yàn)得出滿足孔加工表面粗糙度要求,加工時(shí)間最短的切削加工參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速n=5000 r/min,每分鐘進(jìn)給量fz=15mm,線速度v=27m/min。
通過(guò)對(duì)航空封嚴(yán)二級(jí)盤零件材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析,選擇穩(wěn)定、可靠的定位面與壓緊面,闡述了定位夾具與壓緊力的關(guān)系,設(shè)計(jì)了適用于零件孔加工的輔助支撐夾具,優(yōu)化了刀具方案及孔加工工藝方法,并對(duì)鉆孔加工參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn),提出了適用于航空封嚴(yán)二級(jí)盤孔的加工工藝方法,確定了滿足孔加工要求的加工參數(shù)。