航空鼓筒軸精密加工（gōng）零件加工工藝
對（duì）航空鼓（gǔ）筒（tǒng）軸（zhóu）零件材料及結構特點進（jìn）行分析（xī），通過陶瓷刀具的應用改進（jìn）、裝夾方式的改進以及參數化防誤程序的應用，提升了車削加工質量（liàng）與效率；通過塗層刀具的應用（yòng）以及加工參數的優化，解（jiě）決（jué）了（le）法蘭麵“花邊”銑削難題，同時有效降低了刀具使用成本，提升了鼓筒軸（zhóu）零件整體加工效率。
1 序言
高壓渦輪是航空發動機關鍵部件之一（yī），高壓渦輪鼓筒軸聯接著高壓渦輪和高壓（yā）壓氣（qì）機，是傳遞發動機扭矩的主要部件[1]。鼓筒軸在航空發動機（jī）聯接位置如圖1所示。
鼓筒軸工作條件（jiàn）較為惡劣，它承（chéng）受著（zhe）極（jí）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（gǔ）筒軸屬（shǔ）於薄壁空腔結構零件，整體剛性（xìng）差，加工餘量較大，加工效率（lǜ）低，同時加工精度要求高，加工過程易變形及產生振刀問題，加工工藝性差，屬於薄壁弱剛性零件（jiàn）。
2 零件材料特性（xìng）及結構特征
2.1 材料特性
高壓渦（wō）輪鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時效沉澱強化型鎳基高溫（wēn）合金，被廣泛用於製造噴（pēn）氣發動機的渦輪盤、渦輪軸、軸頸、封嚴環和葉片等高溫部件[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（mìng）短及加（jiā）工表麵質（zhì）量差等問題。
Inconel 718（GH4169）高溫合金（jīn）材料的主要成分為鎳，其鎳含量為50%～55%，其餘主要元素為Fe、Cr和Nb等。它是以體心立方晶（jīng）格Ni3Nb（γ" ）和麵心立方（fāng）晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）強化的鎳（niè）鐵基合金（通常稱為鎳基（jī）合金），從低溫到700℃以（yǐ）下（xià）具有（yǒu）高的屈（qū）服強度、拉（lā）伸強度和持久強度[4]。Inconel 718（GH4169）高溫合（hé）金具有優異的高（gāo）溫強度，抗氧化、抗蠕變、抗（kàng）腐（fǔ）蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650℃高溫下，其力學性能（néng）具有很好的穩定（dìng）性，能夠在600～1200℃承受一定的工作壓力（lì）。但是Inconel 718（GH4169）高溫合金切削加工性較差，具（jù）體表現為（wéi）切削力大（dà）、切削溫度高、刀具磨（mó）損劇烈、加工硬化、粘刀現象嚴重及排屑（xiè）困難等[5]。典型Inconel 718高溫合（hé）金化學成（chéng）分見表1。
Inconel 718（GH4169）高（gāo）溫合（hé）金與其他工程材料的（de）切削加工性比（bǐ）較如圖2所示，相比於其他材料，GH4169合（hé）金材料（liào）的切削加工性能偏低，屬於難（nán）加工材料[6]。鎳基高溫合金切（qiē）削加工（gōng）的主要問題表現在以下幾個方麵。
1）切削力較大，一般為加工（gōng）鋼材的1.5～2倍。
2）切削溫（wēn）度高，在相同條件下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍。
3）刀（dāo）具磨損嚴重，機械（xiè）磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴（yán）重，刀具壽命明顯降低。
4）加工硬化現象嚴重，已加（jiā）工表麵硬度可達基體硬度的1.5～2倍。
5）切（qiē）屑硬（yìng）而（ér）韌，不（bú）易（yì）折斷，造成切削過（guò）程中切屑處理困（kùn）難。
2.2 零（líng）件結構（gòu）特征
高壓渦輪（lún）鼓筒軸零件（jiàn）如（rú）圖（tú）3所示。高壓渦（wō）輪鼓筒軸前後端都帶有安裝邊，是一種典型的（de）“花邊（biān）”結構。同時，在沿（yán）著圓周方向上，花邊周圍（wéi）分布著一圈螺栓孔（kǒng），通過（guò）短螺栓分別與高壓壓氣機封（fēng）嚴盤和高壓（yā）渦輪封嚴（yán）盤聯接。
鼓筒軸零件結構如圖4所示，零件（jiàn）前端φ377.744mm外徑為徑（jìng）向（xiàng）基準（zhǔn），即基準（zhǔn）B，前端麵為軸向基準，即（jí）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φ363.829mm，外徑相（xiàng）對於（yú）A、B基準在自由狀態下的跳動要求為0.05mm，在約束狀態下的跳（tiào）動（dòng）要求為（wéi）0.025mm。鼓筒（tǒng）軸零（líng）件中間部分壁厚僅為2.5mm，屬於典型的薄壁弱剛性結（jié）構。
3 加工工藝方法
鼓筒軸零件主要加（jiā）工工藝為車削、鑽孔和銑“花邊（biān）”，特種工藝主要有熒（yíng）光檢查、噴丸和靜平（píng）衡等。
3.1 車削工藝改進
鼓筒軸（zhóu）零件毛坯質量約50kg，在零件最初開始試製時，粗車加工過程采用DNMG 150612-TF刀尖半徑為1.2mm的硬質合金菱形刀片去除餘量，效率低，生產周期長，不利（lì）於大批量生產。為了盡快轉變加工現狀（zhuàng），有效提高加工效率，縮短生產周期（qī），嚐試采用美（měi）國綠葉公司的RNGN-120700 T1型（xíng）WG-300晶須增強型（xíng）陶瓷刀具，它是（shì）用（yòng）特種陶瓷粉末材料，采用（yòng）科（kē）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（gāo）紅硬性、高耐磨性（xìng）、優良的化學穩定性和低摩擦係數等，其切削加工（gōng）效率為普通硬（yìng）質合金的3～9倍。陶瓷刀（dāo）片（見圖5）為圓形，直徑為12.7mm。陶瓷刀車削特點是高轉速（200r/min），大背（bèi）吃刀量（1～2mm）。
在使用陶瓷刀片初期，由於對其加工性能不夠了解，且陶（táo）瓷刀片脆性大（dà），因此加工過程中易出現崩刃現象，進而導致零件表麵質量差等問題發生。經過現場多次試驗（yàn），最終確定加工參數：切削速度為200m/min，進給（gěi）量為0.25mm/r，切（qiē）削深度（dù）為2mm。同時在基於（yú）前期多輪試驗的基礎上，對陶瓷刀（dāo）具的進（jìn）刀方式進行調整，改進後的（de）陶瓷刀（dāo）切削進刀方式如圖6所示。進（jìn）刀（dāo）時，采用斜向進刀與直線進刀交替進行的（de）方式，其最大優勢（shì）是刀具每次切削時，切削刃與工件的接觸點（diǎn）在不斷變化，這（zhè）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（le）刀具的使用壽命。
在半精加工過程中，特別是在內型麵車削時，最初采用陶瓷刀去餘量，之後采用硬質合金刀具清根。但是由於在實際加工（gōng）過程（chéng）中，操作人員需要頻繁換刀、對刀，不利於加工效率的提（tí）升，因此（cǐ）對加工方式進行改進，具體（tǐ）方（fāng）式是，在采用陶瓷刀具完成形麵半精加工後，不再采用硬質合金刀具進行清根處理，而是繼（jì）續采用陶瓷刀具進行清根，大大縮短了換刀、對刀時間，加工效率也（yě）得到（dào）進一步的提升。
在精車（chē）加工（gōng）試製過（guò）程中（zhōng），由於鼓筒軸零件結（jié）構特點是壁薄（最小壁厚2.54mm），零件裝夾後懸伸較長（前後端總長約251mm），屬於典型的弱（ruò）剛（gāng）性結構。因此，加工過程中不可避（bì）免地出現振刀問（wèn）題，進而造成零件局部（bù）變形，同時出現車削後零（líng）件壁厚不均勻現象，滿足不了圖樣的表麵粗糙度要求，以及沿著圓周方向壁厚變化量不能超過0.076mm的技（jì）術要求。針（zhēn）對這一問（wèn）題，嚐（cháng）試采用多種方法，比如優化切削（xuē）參數、調整走刀方式等，但實際效果並不明顯。考慮到（dào）零件在經過粗加（jiā）工、半精加工後，大部分餘量已經去除，零件壁厚逐漸（jiàn）減薄，加之懸臂過長，車削（xuē）過程中整體剛性減弱，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之產生，於是嚐（cháng）試采用在零件（jiàn）外側纏（chán）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（guò）程中的（de）“共振”現象，從（cóng）而基本消除車削（xuē）振刀（dāo）問題，最終表麵粗糙度（dù）及壁厚變化量均滿足技術要求。
在車削加工裝夾（jiá）方式方麵，粗車外形加工過程中，因為零件毛料為筒狀環形結構，因此最初加工時考慮到裝夾的穩定（dìng）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（gōng）過程中發現，采用（yòng）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，然後再逐（zhú）個調節找正定心（xīn），比（bǐ）較耗費時間，尤其是在有（yǒu）一定批量的生產過程中，這種裝夾方式效率低，浪費了不少不必要的裝夾準備時間。為此，考慮嚐試采用自定心卡盤進行裝夾（jiá）定位，因為自定心卡盤（pán）具有自定心功能，所以零件裝（zhuāng）夾後能夠很快實現裝夾定位及找正，可節省不必要的輔助準備時間，有效提高加工效率。經過實際（jì）測算，采用自定心卡盤定位較單動卡盤定位每個零件節省裝（zhuāng）夾時間約0.5h。
a）改進前的單動卡（kǎ）盤 b）改進後的（de）自定心卡盤
此外，在鼓筒軸（zhóu）零件的車削加工過程中，由（yóu）於采用的刀具種類較多，操作人員（yuán）需頻繁換刀、對刀，這就需要操作（zuò）人員根據刀片尺寸及（jí）加（jiā）工（gōng）餘量，通過計算，在機床係（xì）統中人為輸入刀補值。但是在實際加工過程中，經（jīng）常因為人（rén）為因素輸錯刀補造（zào）成零（líng）件超差或報廢。基於此，為了盡（jìn）量減少人為因素對零件加（jiā）工質量的影響，考慮采（cǎi）用（yòng）參數化編程（chéng）方式進行程序防誤。參數化（huà）編程屬於自適應加工的一種典型應用，由於其特點是在參數化程序中設置變量，變量與變量之間（jiān）可進行（háng）邏（luó）輯運算，通（tōng）過給參數變量地址中賦值，然後調用變量（liàng）地址中（zhōng）的賦值進行邏輯運算及邏輯判斷（duàn），因此，鼓筒軸零件參數（shù）化防誤程序就是（shì）根據工序餘量（liàng）安排，將零件加工前的外（wài）圓或內（nèi）孔的徑向及軸向理論尺寸與（yǔ）實際測量尺寸分別賦值給不（bú）同的參數變量，並使參數變量與（yǔ）數控程序中（zhōng）校（xiào）刀防誤語句進行邏輯結合，這樣操作人（rén）員（yuán）在啟動加工程序後，按照已經賦值的參數化防誤語句進行校（xiào）刀（見圖10）。如果之前（qián）在機床係統中輸入相應參（cān）數變量的賦（fù）值有誤，那麽在校刀過程中就會發現（xiàn）校刀距離過寬或者過窄，這樣操作人員（yuán）就很容易發現問題，從而重新確認之（zhī）前參數的刀補賦值是否有誤，直到輸入正確的參數賦值後，校刀過程（chéng）才能夠正常開展，數控加工程序才能夠正常向後運行，這樣就（jiù）可避免因刀補輸錯（cuò）進而引起零件加工質（zhì）量問題的發生，有效保證了零件加工（gōng）過程中的質量穩（wěn）定性和（hé）安全性。
參數（shù）化（huà）防誤程序（xù）如下。
3.2 銑削工藝改進
鼓筒軸零件的銑削加（jiā）工主要（yào）是前（qián）後端（duān）“花邊”銑削（xuē）。法蘭（lán）麵“花邊（biān）”尺寸技術要求（qiú）如圖11所（suǒ）示（shì）。法蘭端麵在沿圓周方向上分布48處R6.35mm的半圓形“花邊”。在實際銑削（xuē）加工（gōng）過程（chéng）中，“花邊”的銑削去除餘量較大，存在（zài）刀具崩刃及磨損嚴重的問題。精加工後銑削“花邊”的表麵粗糙度也（yě）難以滿足（zú）技術要求。為了解決這一問題，從加（jiā）工刀具及加工參數上進行改進。法蘭麵“花邊”銑削加工改進（jìn）前後使用的刀具（jù）如圖12所示。改（gǎi）進前（qián）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（xǐ）削刀具改（gǎi）進的同時，在加工參數上也進行相（xiàng）關切削試驗（yàn）。未塗層與塗層硬質合金銑刀加工參數對（duì）比（bǐ）見（jiàn）表3。通過刀（dāo）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（xǐ）削時間為20min，改進後約為15min。同時刀具消耗量明（míng）顯下降，改（gǎi）進前銑（xǐ）削“花邊”需要消耗1支銑（xǐ）刀，刀具磨損（sǔn）較嚴重，零件表麵質量較差（chà）；改進後的塗層刀具消耗量僅（jǐn）1/3支，也就是說（shuō），1支改進後的塗層刀具可以完成3個零件的“花邊”銑削工作量（liàng），加工成本（běn）降（jiàng）低，同時（shí）零件“花邊”處（chù）的表麵粗糙度完全滿足技術要求。
表3 未塗層與塗層硬質合金銑刀（dāo）加工參數對比
4 結束語
通過對航空鼓筒軸零件材料及結構特點進行分析，對零件加工工藝進行改進。車削方麵，分（fèn）別進行陶瓷刀具的應用改進、裝夾（jiá）方式的改進以（yǐ）及（jí）參（cān）數化防誤程序的應用，提升了加工質量與效率；銑削方麵，著重解決“花邊”銑削時刀（dāo）具的磨損及表麵粗糙度問題（tí），通過塗層刀具的應用、銑削加（jiā）工參數的優化，有效降低了刀具使用成本，提升了零件整體加工效率。
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本文發表於《金屬加工（冷加工）》2023年第1期64~68頁，作者：中國航發商用航空發動機有限責任公司 梁永朝，張瀟，劉彥軍，原標題：《航空鼓筒（tǒng）軸（zhóu）零件加工工藝》。
