航空鼓筒軸精密加（jiā）工零件加工工藝

對航空鼓筒軸零件材料（liào）及（jí）結構特點進（jìn）行分析，通過陶瓷刀具的應用改進、裝夾方式的（de）改進以及（jí）參數化防誤程序的應用（yòng），提升了（le）車削加工質量與效率（lǜ）；通過塗層刀具（jù）的應用（yòng）以及加工參數的（de）優化，解決了法蘭麵“花邊”銑削難題（tí），同時有效（xiào）降低了（le）刀具使用成本（běn），提升了鼓筒軸零件整體加工效率。

1  序言

高壓（yā）渦輪是航空發動機關鍵（jiàn）部件之（zhī）一，高（gāo）壓（yā）渦輪鼓筒軸聯接著高壓渦輪和高壓壓氣機，是傳遞發動機扭矩的主要部件[1]。鼓筒軸在航空發動（dòng）機聯（lián）接位置（zhì）如圖1所示。

鼓筒軸工作條件（jiàn）較為惡劣，它承受著極複雜的外載荷，包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力和振動等[2]。航（háng）空鼓筒（tǒng）軸屬於薄壁（bì）空腔結構（gòu）零件，整體剛性差，加工餘量較大，加工（gōng）效率低，同時加工精度要求（qiú）高，加工過程易變（biàn）形及產生（shēng）振刀（dāo）問題，加工工藝性差，屬於薄（báo）壁（bì）弱（ruò）剛性（xìng）零（líng）件。

2  零件材料特性及結構特征

2.1 材料特性

高壓渦輪鼓筒軸材料（liào）為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時效沉澱（diàn）強化型鎳基高溫合金，被廣泛用於製造噴氣發動機的渦輪（lún）盤（pán）、渦輪軸、軸頸、封嚴環和（hé）葉片等高溫部件（jiàn）[3]。作為一（yī）種難加工材料，Inconel 718合（hé）金（jīn）具有導熱性較差、加工硬化嚴重和易粘刀等特點，易造成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表麵質量差等（děng）問題。

Inconel 718（GH4169）高（gāo）溫合金材料（liào）的主要成分為（wéi）鎳，其鎳含量為50%～55%，其餘（yú）主要元素為Fe、Cr和Nb等（děng）。它是以（yǐ）體心立方晶格Ni3Nb（γ" ）和麵心立方（fāng）晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）強（qiáng）化的鎳鐵基合金（通常稱為鎳基合金（jīn）），從低溫到700℃以下具（jù）有高的屈服強度、拉伸（shēn）強度和持久強度[4]。Inconel 718（GH4169）高溫（wēn）合金具有優異的高（gāo）溫（wēn）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，其力學性能具有很（hěn）好的穩定性，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（xuē）力大（dà）、切削溫度高、刀具磨損劇烈（liè）、加工硬化、粘刀現象嚴重及排（pái）屑困（kùn）難等[5]。典（diǎn）型Inconel 718高（gāo）溫合金化學（xué）成分見表1。

Inconel 718（GH4169）高溫（wēn）合金與其他工（gōng）程材料的切削加工性比較如（rú）圖2所示，相比於其他材（cái）料，GH4169合金材料的切削加工性能偏低（dī），屬於難加工材料[6]。鎳基高溫合金切削加工的主（zhǔ）要問題表（biǎo）現在以下幾個方麵。

1）切削力較大，一般為加工鋼材的1.5～2倍。

2）切（qiē）削溫度高，在相同條件下，切（qiē）削（xuē）溫度約為45鋼的1.5～2倍。

3）刀具磨損（sǔn）嚴重，機械磨損、粘結磨損（sǔn）、擴散磨損和（hé）氧化磨損較嚴重，刀具壽命明（míng）顯（xiǎn）降低。

4）加工硬化（huà）現（xiàn）象嚴重，已加工表麵硬度可達基體硬度的1.5～2倍。

5）切屑硬而韌，不易（yì）折斷，造成切削過程中切屑（xiè）處理困難（nán）。

2.2 零件結構特征

高壓渦輪鼓筒軸零件（jiàn）如圖3所示（shì）。高壓（yā）渦輪鼓筒軸前後端都帶有安裝邊，是（shì）一種典型的“花邊”結構。同時，在沿著圓周方向上，花邊周（zhōu）圍分布著一圈螺栓（shuān）孔，通過短螺栓分別與高壓（yā）壓氣機封嚴盤和高壓渦輪封嚴盤（pán）聯接。

鼓筒（tǒng）軸零件結構如圖4所示，零件前端φ377.744mm外徑為徑向基準，即基準B，前端麵為軸向基（jī）準，即基準A，平麵度要求為0.025mm，前端分布48處R6.35mm“花邊”結構。後端外徑為（wéi）φ363.829mm，外徑相對（duì）於A、B基準在自由狀態下的跳動（dòng）要求為0.05mm，在約束（shù）狀態（tài）下的（de）跳動要求為0.025mm。鼓筒軸零件中間部分壁厚僅為2.5mm，屬於典型的薄（báo）壁弱剛性結構（gòu）。

3  加工工藝方法

鼓筒軸零件主要加工工藝為車削、鑽孔和銑“花邊（biān）”，特種（zhǒng）工藝主要有熒光檢查、噴丸和（hé）靜平衡等。

3.1 車削工（gōng）藝改進

鼓筒軸零（líng）件（jiàn）毛坯質量約50kg，在零件最初開始試（shì）製時（shí），粗車加工過程采用DNMG 150612-TF刀尖半徑為1.2mm的硬質合金（jīn）菱形刀片去除餘量，效（xiào）率低，生產（chǎn）周期長，不利於大（dà）批量生產。為了盡快轉變加工現狀，有效提高加工效率，縮短生產周期，嚐試采用美國綠葉公司（sī）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，采用科學配方，通過特殊生產工藝，使用現代化設備生產製造出來的。其特點為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性、優良的化（huà）學穩定性和低摩擦係數（shù）等，其切削加工效率為普通硬質合金的3～9倍。陶瓷刀片（見圖5）為圓形，直徑為12.7mm。陶瓷刀（dāo）車削特（tè）點是高轉速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。

在使用陶瓷刀片初期，由於對（duì）其加工性能不夠了解，且陶（táo）瓷刀片（piàn）脆性大，因（yīn）此加工過程中易（yì）出現崩刃現象，進而導致零件表麵質（zhì）量差等問題發生。經過現場多次試驗，最終確定加工參數：切削速度為200m/min，進給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時在基（jī）於前期多輪（lún）試驗的基礎上，對陶瓷刀具的進刀方式進行調整，改進後的陶瓷刀切削進刀方式如圖6所示。進刀（dāo）時，采用斜向進刀與直線進刀交替進行（háng）的方式，其（qí）最大優勢（shì）是刀具每（měi）次切削時，切削刃與工（gōng）件的接觸點（diǎn）在不斷變化，這樣能夠有效減小刀（dāo）具在同一接觸（chù）點的（de）持續磨損（sǔn），減小溝槽磨損（sǔn）的程度（dù），減少（shǎo）換刀片的時（shí）間，同時也（yě）大（dà）大提（tí）高（gāo）了刀具（jù）的使用壽命。

在半精加（jiā）工（gōng）過程中，特別（bié）是在內型麵車削時，最初采用陶瓷刀去餘量（liàng），之後采（cǎi）用硬質合金刀具清根。但是由於在實（shí）際（jì）加工過程中，操作人員（yuán）需要頻（pín）繁換刀、對刀，不利於加工（gōng）效率的提升，因此對加工方（fāng）式進行改進，具體方式是，在采用陶瓷刀具完（wán）成形麵半精加工後（hòu），不再采用硬質合金（jīn）刀具進行清根處理，而是繼續（xù）采用陶瓷刀具進行清根，大大縮短了（le）換刀、對刀時間，加工效率也得到進（jìn）一步的提升（shēng）。

在精車加工（gōng）試製（zhì）過程中，由於鼓筒軸零件結構特點是壁薄（最小壁厚2.54mm），零件裝夾後懸伸較長（前後（hòu）端總長約（yuē）251mm），屬於典（diǎn）型的（de）弱剛（gāng）性結構。因此，加工過（guò）程中不可避免地出現振（zhèn）刀問題，進而造成零件局部變形（xíng），同時出現車（chē）削後零件壁厚不均勻現象，滿足不了圖樣的表麵粗糙度要求，以及沿著（zhe）圓周方向壁厚變化量不（bú）能（néng）超過0.076mm的技（jì）術要求。針對這一（yī）問題，嚐試采用多種方法，比（bǐ）如優化切削（xuē）參數、調整走刀方式等，但實際效果並不明（míng）顯。考慮到零件在經過粗加工、半精加（jiā）工後，大（dà）部分餘量已經去除，零（líng）件壁厚逐漸減（jiǎn）薄，加之懸臂過長，車削過程中（zhōng）整體剛性減（jiǎn）弱（ruò），尤其是內壁加工處基本屬於空腔結構，車削過程中振刀問題隨（suí）之產生，於是嚐試采用在零件外側纏繞橡（xiàng）膠繩套的方案，能夠有效增加（jiā）零件懸臂剛性，降（jiàng）低車削過程中的“共振”現象，從而基本（běn）消（xiāo）除（chú）車削振刀問題，最終表麵粗糙度及壁厚變化量均滿足技術要（yào）求。

在車（chē）削加（jiā）工裝夾方式方麵，粗車外形加工過程中，因為零件毛料為筒（tǒng）狀環形結構，因此最初加工時考慮到裝夾的穩定性與可靠性，采用單動卡盤進行外圓定位裝夾，但是在實際加工過（guò）程中發現，采用這種裝夾方式，因為單動卡盤不具（jù）有自定心功能，所以每（měi）一個卡爪都需要單獨裝夾，然（rán）後再逐個調節找正定心，比較耗費時間，尤其是（shì）在有一定批量的生（shēng）產過程中，這（zhè）種裝夾方式效率低，浪費了不少不（bú）必（bì）要的裝夾準備（bèi）時間。為此，考慮嚐試采用自定心卡盤進行裝夾定位，因為自定心卡盤具有（yǒu）自定心功能，所以零件（jiàn）裝夾後能夠很快（kuài）實現裝夾（jiá）定位及找正，可節省不（bú）必要的輔助準備時間，有效提高（gāo）加工效率（lǜ）。經過實際測（cè）算，采用自定（dìng）心卡盤定位（wèi）較單動卡盤定位每個零件節省裝夾時間約0.5h。

a）改進前的單動卡盤   b）改進後的自定心卡盤

此外，在鼓筒（tǒng）軸零件的車削加工過（guò）程中，由於采用的（de）刀具種類較多，操作人員需頻（pín）繁換刀、對刀，這就需（xū）要操作人員根據刀片尺寸及加工餘量，通過計算，在機床係統中（zhōng）人為輸入刀（dāo）補值。但（dàn）是在實際加工（gōng）過程中，經常因為人為因（yīn）素輸錯刀補造成零件超差或（huò）報廢。基（jī）於此，為了盡（jìn）量減少人為（wéi）因素對零件加工質量的影（yǐng）響，考（kǎo）慮采用（yòng）參數化編程方式進（jìn）行程序防誤。參數化編程屬於自適應加工的一種典型應用，由於其特點是在參（cān）數化程序中設置變量，變量與變量之間（jiān）可進（jìn）行邏輯運（yùn）算，通過給參數變量地址中賦值，然後調用變量地址中的賦值進行邏輯運算及邏（luó）輯判斷，因此，鼓筒軸零件參數化防誤程序（xù）就是（shì）根（gēn）據工序餘量安排（pái），將零件加工前的外（wài）圓或內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（tóng）的參數變量，並使參數變量與數控程序中（zhōng）校刀防誤（wù）語句進行邏輯結合，這樣操作人員在啟動加工程（chéng）序後，按照已經賦值的參數化防誤語句進行（háng）校刀（dāo）（見圖（tú）10）。如果之（zhī）前（qián）在機床（chuáng）係統中輸入相應參數變量的賦值有誤，那麽在校刀（dāo）過程中就會發（fā）現（xiàn）校刀距離過寬或者過窄，這樣（yàng）操作人員就很容易發現問題，從而重（chóng）新確認之前參（cān）數的刀補賦值是（shì）否有誤，直到輸入正確的參數賦值後，校刀過程才（cái）能夠正（zhèng）常開展（zhǎn），數控加工程序才（cái）能夠正常向後運行，這樣就可避免因刀補輸錯進而引起零件加工質量問題的發生，有（yǒu）效保證了零件加（jiā）工過程中的質量穩定性和安全性。

參數化防誤程序如下。

3.2 銑削工（gōng）藝改（gǎi）進

鼓筒軸零件的銑削加工（gōng）主要是前後端“花邊”銑削。法蘭（lán）麵（miàn）“花邊”尺寸技術要求如圖11所示。法蘭端麵在沿（yán）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（chéng）中，“花邊”的銑削去除餘量較大，存在刀具崩（bēng）刃及磨損（sǔn）嚴重的問題。精（jīng）加工（gōng）後銑削“花邊”的表麵粗糙度也（yě）難以滿足技（jì）術要求。為了解決這一問題，從加工刀具及加工參數上（shàng）進行改進。法蘭麵“花邊”銑削加工改進前（qián）後使用的刀具如圖12所示。改進前采用φ11.8mm硬質合金銑刀（未塗層），改進後采用φ11.8mm硬質合金塗層銑刀。

銑削刀具改進（jìn）的同時，在加工參數上也進行相關切削試驗。未塗層與塗層硬質合金銑刀加（jiā）工參數對比見表3。通過（guò）刀具參數的優化改進，銑削（xuē）加工效率得到一定的提升。改進前“花邊”銑削時間為20min，改進後約為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（dāo），刀（dāo）具磨損較嚴重，零件（jiàn）表麵質量較差（chà）；改進後的塗層刀具消耗量僅1/3支，也就是說，1支改進後的塗層刀具可以完成（chéng）3個零（líng）件的“花邊”銑削工作（zuò）量，加工成（chéng）本降低，同（tóng）時零件“花邊”處的（de）表麵粗糙度完（wán）全滿足技術要求。

表3　未塗層（céng）與塗層硬質合金銑刀加工參數對比

4  結束語

通過對航空鼓筒軸零件材料（liào）及結構特（tè）點（diǎn）進行分析，對零件加工工藝進行（háng）改進。車（chē）削（xuē）方麵，分（fèn）別進行陶瓷刀具的應用改進、裝夾方式的改（gǎi）進以（yǐ）及參數化防誤程序的應用（yòng），提升了加工質（zhì）量與效率；銑削方麵，著重（chóng）解決（jué）“花（huā）邊”銑（xǐ）削時刀（dāo）具的磨損（sǔn）及（jí）表麵粗糙度問題，通過塗層刀（dāo）具的應用、銑削加工參（cān）數的優化（huà），有效降低了刀具使用成本，提升了零件整體加工效率。

參（cān）考文獻：

[1] 黃嵩. 高（gāo）壓渦輪軸安裝邊倒角低應力設計方法[J]. 現代機械，2014（3）：15-16.

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本文發表於《金屬加工（冷（lěng）加工）》2023年第1期64~68頁，作者：中國航發商用（yòng）航空發動機有（yǒu）限責任公司 梁永（yǒng）朝（cháo），張瀟，劉彥軍，原標題：《航空（kōng）鼓（gǔ）筒軸（zhóu）零件加工工藝》。