提高盤類零件表面完整性加工技術(shù)

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限責(zé)任公司盤軸加工廠 姜雪梅 陳 磊 王 蓮

航空發(fā)動機中盤、鼓筒等零件是發(fā)動機的核心轉(zhuǎn)動部件和關(guān)鍵件，在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下工作。對這類零件表面質(zhì)量、表面粗糙度、表面完整性要求高，其表面質(zhì)量的高低直接影響到發(fā)動機的使用壽命和安全可靠性。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機制造技術(shù)是以制造成本、時間、空間等為依據(jù)，通過工藝控制，形成滿足要求的表面特征的制造技術(shù)。其主要關(guān)注的是表面機械加工的尺寸、形位、表面形貌、表面裂紋等特征，考慮的是低成本、高效率、高精度，對發(fā)動機的壽命和可靠性方面關(guān)注不夠，不能滿足新一代航空發(fā)動機高可靠性的需求。

隨著航空發(fā)動機制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，盤、鼓筒等轉(zhuǎn)動部件的表面光整加工和表面精細(xì)加工技術(shù)有了大幅度地提升，從傳統(tǒng)的手工操作方式，過多地依賴操作者的經(jīng)驗和技能水平完成加工，轉(zhuǎn)向零件表面自動光整加工、各類邊緣機械自動成型加工等自動化、精準(zhǔn)化及抗疲勞制造的方向推進(jìn)和發(fā)展，高度關(guān)注加工后的表面粗糙度、表面紋理、表面應(yīng)力狀態(tài)、各類邊緣尺寸的圓滑轉(zhuǎn)接和尺寸一致性等表面完整性指標(biāo)，對保證航空發(fā)動機安全可靠的工作起到了至關(guān)重要的作用。

渦輪盤零件的結(jié)構(gòu)特點及使用要求

渦輪盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，特別是安裝邊與輪盤輻板形成半封閉深型腔，敞開性極差，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。輪盤二側(cè)輻板、安裝邊外圓及端面，二側(cè)型腔內(nèi)表面粗糙度要求嚴(yán)格，均為Ra0.80μm，傳統(tǒng)的光整加工是在普通車床上使用砂布條、采用手工拋光方式加工，由于渦輪盤型腔敞開性差，手工拋光幾乎不可達(dá)，粗糙度不易保證，質(zhì)量不穩(wěn)定。各類邊緣加工如渦輪盤榫槽邊緣大多采用銼刀、油石及紗布條手工去除毛刺并拋光的工藝方法完成榫槽邊緣加工，加工后邊緣尺寸一致性較差。

圖1 渦輪盤結(jié)構(gòu)示意圖

航空發(fā)動機故障統(tǒng)計分析表明，大多數(shù)故障為疲勞失效。失效的主要原因為表面缺陷，如表面粗糙度、加工紋理、加工刀痕及其邊緣轉(zhuǎn)接圓角的加工質(zhì)量等因素都是產(chǎn)生疲勞失效的隱形殺手，特別是對于盤、鼓筒等關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件，由于其工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜，因此對這類零件的表面質(zhì)量、表面完整性及表面精細(xì)加工提出了嚴(yán)格的要求。振動光飾及邊緣自動成型加工技術(shù)就是改變傳統(tǒng)的手工操作方式，提高零件表面質(zhì)量和表面完整性的有效途徑。

振動光飾加工技術(shù)

1 振動光飾加工原理

振動光飾加工通過磨料和零件的相對運動，產(chǎn)生微量的磨削加工作用，去除零件表面的尖邊和微小凸起，促使零件表面粗糙度值降低，同時零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的表面完整性。旋軸式振動光飾機可以正反雙向轉(zhuǎn)動，即可繞自身自轉(zhuǎn)，同時圍繞主軸中心公轉(zhuǎn)，磨料箱周期性上下往復(fù)運動，從而使零件與磨料接觸和磨削加快，大面積多方向摩擦，實現(xiàn)高效光整加工。

振動光飾加工時，首先將輪盤一側(cè)表面朝下通過專用夾具，將盤件安裝在機床氣動夾盤上，通過主軸系統(tǒng)的升降帶動零件進(jìn)入磨料中，在行星輪系、運動料箱等多方面運動系統(tǒng)的作用下，對渦輪盤零件的外表面、型腔及端面進(jìn)行光整加工，使磨料與零件表面產(chǎn)生擠壓、劃擦等運動，實現(xiàn)對零件的微切削高效加工。完成一側(cè)表面振動光飾后，翻轉(zhuǎn)零件，重新安裝在機床氣動夾盤上，進(jìn)行另一側(cè)表面的振動光飾加工。

2 加工設(shè)備及磨料選擇

根據(jù)零件的加工要求和輪廓尺寸選擇了旋軸式振動光飾機BJGZP800，磨料成份主要為剛玉或陶瓷。磨料形狀主要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、具體加工部位和預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)而定，可為多邊菱形磨料，三角形磨料或不同直徑的圓形磨料。

3 振動光飾加工參數(shù)

振動頻率： 70Hz；磨液：機床專用磨液；磨液噴灑時間：5min；磨液間隔時間：5min；振動光飾時間：80min。

4 振動光飾前后的對比試驗

（1）振動光飾前后的表面粗糙度的對比分析。

通過對渦輪盤振動光飾前后的表面粗糙度進(jìn)行檢測和對比，收集和掌握振動光飾后零件表面粗糙度的改善狀況，選擇對渦輪盤表面①②③④⑤⑥⑦進(jìn)行粗糙度測量，每個表面沿圓周均布測量4點（見圖1）。振動光飾前后表面粗糙度對比曲線如圖2所示。

圖2 振動光飾前后表面粗糙度對比曲線

由粗糙度測量結(jié)果可以看出，振動光飾后各表面的粗糙度值大幅度地降低，由振動光飾前的Ra0.7～Ra2.3μm，改變?yōu)檎駝庸怙?后 的Ra0.22～Ra0.95μm 之 間，其中表面①②④⑥⑦粗糙度值在Ra0.22～Ra0.49范圍內(nèi)，效果最好，振動光飾后表面質(zhì)量有極大地改善，完全滿足設(shè)計圖Ra0.80～Ra1.60的粗糙度要求，取得滿意的效果。

（2）振動光飾前后表面殘余應(yīng)力測量及對比分析。

· 測定條件。

儀器采用iXRD-X射線應(yīng)力分析儀；特征譜線和衍射晶面：Mn-K-Alpha，F(xiàn)CC（311）；準(zhǔn)直管直徑φ2mm。

按圖1所示，測量渦輪輪盤結(jié)構(gòu)①②③④表面殘余應(yīng)力，每個表面按圓周均布測量4點，應(yīng)力測試方向為周向。

· 振動光飾前后表面殘余應(yīng)力對比。

渦輪盤振動光飾前后表面殘余應(yīng)力對比曲線如圖3所示。

由殘余應(yīng)力測試結(jié)果看出，振動光飾后表面應(yīng)力狀況有很大地改善，振動光飾前渦輪盤A側(cè)表面殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為700MPa, 振動光飾后由拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力值在-200MPa～-500MPa之間。這說明振動光飾加工不僅可改變表面粗糙度，而且可以改變零件表面的應(yīng)力狀態(tài)和表面完整性，提高零件的疲勞強度。

圖3 振動光飾前后表面殘余應(yīng)力對比曲線

圖4 振動光飾前后表面形貌對比

圖5 榫槽邊緣倒圓示意圖

（3）振動光飾前后的表面形貌對比。

渦輪盤振動光飾前、后的表面形貌（放大50倍）如圖4所示。

由表面形貌對比圖可以看出，振動光飾前的渦輪盤表面粗糙度較差，刀痕較明顯，紋理粗糙，振動光飾后的零件表面形貌有很大地改觀，經(jīng)放大50倍金相檢驗，表面紋理均勻規(guī)整，無明顯的走刀痕跡，表面質(zhì)量得到極大地改善。

榫槽邊緣自動成型加工

渦輪盤榫槽邊緣與端面過渡圓角設(shè)計要求R0.4～R0.6，表面粗糙度為Ra0.80μm，并要求沿榫槽型面倒圓并拋光，圓滑轉(zhuǎn)接（見圖5）。傳統(tǒng)的手工加工方法是采用銼刀、油石及紗布條去除尖邊毛刺、拋光，完成榫槽邊緣加工，按標(biāo)準(zhǔn)樣件驗收。其加工質(zhì)量過多地依靠操作者的經(jīng)驗和技能水平，受人為影響因素大，加工后表面粗糙度、邊緣尺寸精度及尺寸一致性較差。

1 自動倒角機加工原理及主要加工特點

利用自動倒角機設(shè)備，專用倒角銑刀與與機床拋光單元固定刷，按預(yù)先編制好的數(shù)控程序軌跡，并以一定的切削參數(shù)實現(xiàn)對渦輪盤榫槽邊緣進(jìn)行銑削和自動拋光的復(fù)合加工方法，該工藝方法的主要特征是，去除棱邊毛刺，倒角、倒圓，保證圓角與相鄰表面之間光滑過渡，提高零件倒圓、倒角尺寸的一致性及尺寸精度，降低零件表面粗糙度值，改善零件表面質(zhì)量，實現(xiàn)加工過程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

2 榫槽邊緣加工工藝

榫槽邊緣的自動成型加工是在自動倒角機上，采用可調(diào)式組合夾具裝夾零件，可滿足不同孔徑盤件的裝夾要求，應(yīng)用φ1～φ1.2硬質(zhì)合金球銑刀進(jìn)行四軸聯(lián)動銑削圓角，為了防止刀具干涉，避免刀具在走輪廓時與榫槽發(fā)生碰撞和干涉，加工前，采用VIRCUT模擬仿真軟件，對加工過程進(jìn)行模擬仿真，確認(rèn)程序正確可行后，進(jìn)行零件加工。確定的切削參數(shù)為：銑刀轉(zhuǎn)速n= 25000 r/min；進(jìn)給量f= 600 mm/min；切削深度ap= 0.1mm，去除榫槽邊緣大部分余量，然后應(yīng)用兩種標(biāo)準(zhǔn)金剛石粗、細(xì)拋光刷，對銑加工后的邊緣進(jìn)行圓整與拋光，完成榫槽邊緣的復(fù)合光整加工，加工后粗糙度可達(dá)Ra0.80μm。由于采用數(shù)控加工，該工藝方法倒角、倒圓后邊緣尺寸一致性好，不接觸和影響拉削后的榫槽表面和尺寸精度，降低表面粗糙度值效果明顯，2種工藝方法加工后的榫槽邊緣形貌如圖6所示。

圖6 2種工藝方法加工后的榫槽邊緣形貌對比

結(jié)束語

通過采用振動光整加工，降低了零件表面粗糙度值1～2個等級，表面應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力，振動光飾后的表面形貌有很大地改觀，表面紋理均勻規(guī)整，零件表面質(zhì)量和表面完整性大幅度地提高。榫槽邊緣采用數(shù)控自動倒角機實現(xiàn)了機械自動成型加工，與傳統(tǒng)的手工加工比較，榫槽邊緣表面粗糙度好，倒圓尺寸均勻，不同榫槽之間邊緣尺寸一致性達(dá)90%以上，加工質(zhì)量大幅度地提高，滿足使用性能要求。

以上開展的表面完整性制造技術(shù)應(yīng)用研究，已在渦輪盤零件批量生產(chǎn)中應(yīng)用，并且通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化和固化，已形成了典型加工工藝，實現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)合格交付。該項技術(shù)研究還需要進(jìn)一步深入和推廣，特別是表面完整性指標(biāo)對其使用性能和壽命的影響程度需要進(jìn)行系統(tǒng)研究和試驗。通過大力開展表面完整性制造技術(shù)的創(chuàng)新和探索，以滿足新一代航空發(fā)動機高可靠性和長壽命的需求。