鉆削微小孔技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴噴口加工中的應(yīng)用研究*

石洪國(guó)，王福海，丁志純，雷力明

( 中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴將燃油霧化，加速混合氣形成，保證穩(wěn)定燃燒和提高燃燒效率，而且具備高穩(wěn)定的性能要求，在燃燒室大推力、高溫升的工作環(huán)境下，燃油噴嘴一般帶有熱防護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免其在很短工作周期內(nèi)發(fā)生低循環(huán)疲勞、蠕變疲勞時(shí)效等；另外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重設(shè)計(jì)的趨勢(shì)下，燃油噴嘴同時(shí)要有足夠剛度的支撐結(jié)構(gòu)，避免由不利的振動(dòng)現(xiàn)象引起高周疲勞失效等故障模式。為同時(shí)解決熱防護(hù)和強(qiáng)度問題，某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴采用Hastelloy X 高溫合金選擇性激光熔化（SLM）成型增材制造毛坯，帶有復(fù)雜的油路結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻降溫，主燃級(jí)與預(yù)燃級(jí)噴口的供油流道盤曲交錯(cuò)，其中主燃級(jí)噴口均勻分布在SLM成形件外形周向，與內(nèi)部成形流道貫通[1–2]。

燃油流量均勻性是影響燃燒室出口溫度分布的主要因素之一，燃燒室出口溫度分布品質(zhì)對(duì)渦輪工作的可靠性起著關(guān)鍵的作用[3–5]。主燃級(jí)油路的加工質(zhì)量直接影響燃油霧化質(zhì)量和燃油流量分布均勻性，如果燃油霧化效果差，會(huì)使過大的油滴噴至燃燒室壁面，使其過熱、結(jié)焦，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙及污染物增加。

圖1為某型號(hào)燃油噴嘴主燃級(jí)油路的局部截面圖，沿圓周共均布12個(gè)主燃級(jí)噴口，設(shè)計(jì)直徑為φ0.46mm，加工深度約3mm，粗糙度Ra為0.4μm，用于燃油噴射。此結(jié)構(gòu)可提供完整的噴口油柱、正確的噴射角度并且保證各主噴口均勻的噴射流量。

目前，對(duì)于主燃級(jí)噴口這樣的微小孔加工方法可分為機(jī)械加工方法和特種加工方法兩大類[6]，其中機(jī)械加工方法主要為機(jī)械鉆削加工，特種加工方法主要包括激光加工和電火花打孔，這幾種加工方法各有優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。機(jī)械鉆孔是最傳統(tǒng)的微小孔加工方法，有著加工精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)；但由于切削刀具直徑細(xì)小，一般很難加工深徑比大于20的微小孔，另外，為保證微小孔切削系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)鉆削設(shè)備、刀具及切削工藝參數(shù)也有著非常高的要求，鉆削出口處的毛刺也會(huì)影響微小孔的表面質(zhì)量。激光加工是典型的光熱效應(yīng)加工過程，幾乎不受工件材料的限制，可以獲得大深徑比的微小孔，其非接觸式的加工形式，無(wú)切削力，可用于薄壁零件的加工。激光加工按脈沖寬度來(lái)劃分為毫秒激光、納秒激光和飛秒激光，其中飛秒激光加工可以獲得幾乎無(wú)重熔層的微小孔，但是其加工效率較低，設(shè)備投資大，國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度較低，在主燃級(jí)噴口的試制過程中容易產(chǎn)生對(duì)壁擊穿的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響燃油噴射效果。電火花打孔適用于導(dǎo)電金屬材料的加工，可加工深徑比100以上的微小孔，高速電火花加工效率非常高，適合數(shù)量多、密度高的群孔加工，通過加工參數(shù)的優(yōu)化，能夠控制電火花打孔的重熔層厚度；但由于放電間隙的存在以及電蝕產(chǎn)物的非正常放電，使得電火花加工孔的尺寸一致性受到影響，且孔口易出現(xiàn)加工錐度和圓角[7]，這些缺陷都會(huì)對(duì)主燃級(jí)噴口的噴射性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴主燃級(jí)噴口示意圖Fig.1 Schematic diagram of aero-engine fuel nozzle

對(duì)比3種微小孔的加工方法，機(jī)械鉆削對(duì)于加工主燃級(jí)噴口這種深徑比在7以下的微小孔有著一定優(yōu)勢(shì)。建立穩(wěn)定的切削系統(tǒng)，開發(fā)適合Hastelloy X 高溫合金粉末SLM成形材料的切削參數(shù)，就能發(fā)揮機(jī)械鉆削在精度、效率、經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，滿足主燃級(jí)噴口的尺寸、形狀、表面質(zhì)量方面的要求。本文針對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴主燃級(jí)噴口加工，對(duì)鉆削微小孔技術(shù)的切削系統(tǒng)特性、切削參數(shù)制定與優(yōu)化、出口毛刺控制方面進(jìn)行應(yīng)用研究，提出加工方案，并且通過切削驗(yàn)證有效的噴口微小孔鉆削加工方法。

1 鉆削微小孔的切削系統(tǒng)特性

微小孔的直徑范圍一般在0.1～1mm之間，鉆削加工所使用的鉆頭直徑細(xì)小，刀具剛度、強(qiáng)度差，再加上鉆削過程的密閉性，使得刀具極易在切削力或外力振動(dòng)的突變下折斷，因此保持微小孔切削系統(tǒng)的穩(wěn)定是順利完成加工的前提條件。切削系統(tǒng)由機(jī)床設(shè)備、刀具、工件組成，其中機(jī)床設(shè)備與刀具是影響微小孔切削穩(wěn)定性的重要因素。

首先在機(jī)床設(shè)備方面，微小孔鉆削需要高精度的切削主軸系統(tǒng)，其徑向和軸向的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)要在3μm以內(nèi)；主軸要有高速功能來(lái)提供適宜微小鉆削的切削線速度，一般最高轉(zhuǎn)速要在30000r/min以上；同時(shí)主軸還要有先進(jìn)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，具備良好的熱穩(wěn)定性。高速電主軸、精密回轉(zhuǎn)軸承等裝備的出現(xiàn)，支撐了高速高精加工機(jī)床快速發(fā)展。如瑞士Fisher公司、法國(guó)Forest-line公司生產(chǎn)的高速電主軸，日本NSK公司生產(chǎn)的高精軸承等均是國(guó)內(nèi)外高速機(jī)床廠家的常用設(shè)備配件。在高速功能部件的基礎(chǔ)上，機(jī)床廠家會(huì)配備高效的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)、穩(wěn)定的床身支撐結(jié)構(gòu)、精密的運(yùn)動(dòng)軸精度、可靠的數(shù)控系統(tǒng)等，能夠滿足微細(xì)切削加工類機(jī)床的需求。目前，瑞士寶美生產(chǎn)的車銑復(fù)合加工中心、瑞士威力銘公司生產(chǎn)的高速五軸加工中心、北京精雕集團(tuán)生產(chǎn)的高速數(shù)控精雕機(jī)等在國(guó)內(nèi)鉆削微小孔領(lǐng)域較為常用。此外微孔鉆削的加工設(shè)備應(yīng)該盡量專機(jī)專用，只做小微型零件的微切削，如果長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行較大切削力的粗加工和半精加工，那么主軸的跳動(dòng)精度會(huì)很容易下降，影響機(jī)床的穩(wěn)定性。

鉆削微小孔的刀具系統(tǒng)由鉆頭和夾持刀柄組成。鉆頭的制造精度是影響微小孔孔徑精度的主要因素，一般來(lái)說，微小孔鉆頭直徑公差應(yīng)達(dá)到IT6的精度等級(jí)，并且要比加工孔徑的名義尺寸小0.005mm左右。更重要的是，鉆頭通過刀柄在主軸上連接后，徑向跳動(dòng)要控制在5μm以下，這對(duì)鉆頭的安裝提出了嚴(yán)格要求。目前一般采用較為經(jīng)濟(jì)的16°錐角的ER夾簧或者8°錐角的SK夾簧在刀柄上對(duì)鉆頭進(jìn)行夾持，注意夾簧不可鉆銑混用，且無(wú)使用磨損，采用適當(dāng)不易過大的夾持力。此外，采用夾持精度更好的熱漲刀柄或者液壓刀柄也是保證刀具跳動(dòng)的有效方法。

根據(jù)上述鉆削微小孔切削系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文選擇瑞士威力銘公司的高速五軸加工中心開展切削試驗(yàn)，該設(shè)備最高轉(zhuǎn)速為32000r/min，在工作環(huán)境溫度（20±2）℃的情況下，有著穩(wěn)定的精度和熱穩(wěn)定性。在鉆頭刀具方面，要針對(duì)Hastelloy X 高溫合金粉末SLM成形的材料切削特性進(jìn)行選擇，該材料類似于固溶態(tài)鎳基高溫合金材料GH3536，硬度在82～90HRBW范圍內(nèi)波動(dòng)，100℃下導(dǎo)熱率為11.67W/（m·℃），低于GH3536的13.38W/（m·℃），20～100℃下的熱膨脹系數(shù)為9.25×10–6/℃，低于GH3536的12.1×10–6/℃，常溫下拉伸強(qiáng)度為724MPa，高于GH3536的690MPa。由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻值大，切削熱量的擴(kuò)散速率低，使得切削熱集中在刀刃區(qū)域，帶來(lái)了高鉆削溫度，并帶有切削表面冷硬現(xiàn)象，切屑較堅(jiān)韌不易折斷。因此刀具的材料選擇了耐切削高溫的ISO標(biāo)準(zhǔn)M類（相當(dāng)于國(guó)標(biāo)YW類）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基材，同時(shí)具備較好的刀具材料韌性，表面帶有TiAlN抗氧化磨損PVD涂層的φ0.46mm雙刃鉆頭；選擇螺旋槽與刀具軸線的夾角為28°，而非常見的35°螺旋角，目的是更有利于長(zhǎng)切屑的排出。刀具在高速刀柄上夾持，如圖2所示。與機(jī)床主軸連接后，檢查刀具徑向跳動(dòng)為4μm。

2 切削參數(shù)制定與優(yōu)化

對(duì)鉆削尺寸精度和表面質(zhì)量有顯著影響的切削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、啄鉆深度和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。在保證加工精度的前提下，滿足切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是切削參數(shù)選擇的基本原則。按照切屑手冊(cè)中鉆削固溶態(tài)鎳基高溫合金的參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定如表1所示；采用微細(xì)加工刀具手冊(cè)的進(jìn)給參數(shù)，減少刀具軸向載荷受力，將啄鉆深度設(shè)定在0.05～0.12mm之間，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量設(shè)定在0.005～0.012mm之間。各參數(shù)選擇3個(gè)數(shù)據(jù)，參數(shù)間交叉組合，共有27種參數(shù)組合。

試驗(yàn)工件采用與主燃級(jí)噴口零件相同的SLM成形材料，厚度3mm，鉆孔表面車削平整。使用φ0.4mm硬質(zhì)合金中心鉆加工0.2mm深的定心孔，避免后續(xù)鉆頭弱剛性、弱導(dǎo)向引起的形位偏差、軸線歪斜、孔徑與圓度超差等缺陷，再用φ0.46mm鉆頭按照切削參數(shù)方案進(jìn)行加工，每種參數(shù)組合加工3個(gè)孔。鉆削過程采用外部油冷。

加工完成后，首先使用檢測(cè)針規(guī)對(duì)孔徑進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為：所有孔φ0.46mm的針規(guī)均能通入，φ0.47mm的針規(guī)均不入，符合孔徑的尺寸要求。再對(duì)所有試切件沿孔中心線的位置線切割剖開，如圖3所示，使用接觸式表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，每種切削參數(shù)組合加工孔的粗糙度數(shù)值取平均值。切削參數(shù)與測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖2 試驗(yàn)切削刀具Fig.2 Tools for drilling test

圖3 切削參數(shù)試驗(yàn)工件圖Fig.3 Cutting test part

表1 切削參數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Cutting test data

通過整理檢測(cè)數(shù)據(jù)，分別繪制出各種切削參數(shù)與加工表面粗糙度的關(guān)系圖。

進(jìn)給量固定為0.005mm/r的情況下，選擇不同的啄鉆深度，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，加工表面的粗糙度，總體趨勢(shì)減小，變化曲線如圖4所示。

主軸轉(zhuǎn)速固定為17000r/min的情況下，選擇不同的進(jìn)給速度，隨著啄鉆深度的增加，內(nèi)孔表面的粗糙度，總體趨勢(shì)減小，變化曲線如圖5所示。主軸轉(zhuǎn)速固定為17000r/min的情況下，選擇不同的啄鉆深度，隨著進(jìn)給量的增加，內(nèi)孔表面的粗糙度總體趨勢(shì)變大，但變化不明顯，變化曲線如圖6所示，這也可能與此次試驗(yàn)的進(jìn)給速度參數(shù)變化幅度較小有關(guān)。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出粗糙度曲線的變化趨勢(shì)以及趨勢(shì)大小，影響粗糙度最明顯的參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速，其次是啄鉆深度，最后是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。要獲得好的表面質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)選擇較高的切削速度、較高的啄鉆深度以及相匹配的進(jìn)給量。

圖4 主軸速度與加工表面粗糙度關(guān)系圖Fig.4 Roughness under different spindle speed

圖5 啄鉆深度與加工表面粗糙度關(guān)系圖Fig.5 Roughness under different depth of drilling

圖6 每轉(zhuǎn)進(jìn)給與加工表面粗糙度關(guān)系圖Fig.6 Roughness under different feed rate

但在實(shí)際加工中并不是主軸轉(zhuǎn)速越大越好，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具磨損會(huì)加快，同時(shí)主軸長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其穩(wěn)定性會(huì)相應(yīng)變?nèi)?，切削主軸的振動(dòng)極易造成微細(xì)刀具折斷，零件報(bào)廢，因此在滿足尺寸及粗糙度要求的情況下，可選擇適中的主軸轉(zhuǎn)速。為利于切屑的排出，保證切削過程的穩(wěn)定，對(duì)于啄鉆深度和進(jìn)給量同樣宜選擇適中的參數(shù)組合。基于以上論述，本文進(jìn)行了的實(shí)際切削試驗(yàn)，最后選擇主軸轉(zhuǎn)速14000r/min、啄鉆深度0.08mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給0.008mm/r作為主燃級(jí)噴口的優(yōu)選鉆削參數(shù)組合。

3 鉆削微小孔出口毛刺控制

在使用微細(xì)鉆頭完成主燃級(jí)油路噴口加工后，鉆削的入口和出口處均會(huì)產(chǎn)生毛刺。鉆削入口即噴口的出油口的毛刺位于零件的外端。為保證噴油油柱完整不發(fā)散，須保持鉆削入口為尖邊，該尖邊特征可通過鉗工手動(dòng)修理完成。同時(shí)，鉆削的出口即噴口的進(jìn)油口則位于供油油路流道內(nèi)部，毛刺內(nèi)翻，此外還會(huì)偶然出現(xiàn)“翻蓋”現(xiàn)象，即鉆透層未完全脫落，以薄圓片的形式與鉆削出口局部相連。受孔徑的限制，目前暫無(wú)合適的常規(guī)工藝可去除流道內(nèi)的鉆削出口毛刺，而磨粒流等特殊工藝對(duì)于流道內(nèi)的鉆削出口毛刺有比較好的清理效果。但是鉆削出口“翻蓋”則容易翻轉(zhuǎn)堵塞噴口，因此如何避免出口毛刺“翻蓋”，是鉆削噴口毛刺控制的要點(diǎn)。

鉆削出口“翻蓋”的形成與材料切削時(shí)的冷作硬化現(xiàn)象相關(guān)，冷硬層使得鉆削表面堅(jiān)韌，再加上流道內(nèi)部表面的不均勻性，圓周局部易斷裂而形成與出口半連接的薄片。為解決這個(gè)問題，本文制定了擴(kuò)孔套鉆的加工方案，選擇Hastelloy X 高溫合金粉末SLM成形的圓環(huán)件作為試驗(yàn)件，圓環(huán)件外徑車削至φ50mm，長(zhǎng)度25mm，內(nèi)徑成形尺寸為φ44mm，保留SLM成形面，模擬內(nèi)流道表面狀態(tài)，環(huán)壁厚度約為3mm。使用威力銘高速五軸加工中心，在外徑圓周均布加工3組通孔，每組12個(gè)孔。鉆孔前均使用φ0.3mm硬質(zhì)合金中心鉆加工定心孔，深度0.2mm。之后第1組孔采用φ0.46mm硬質(zhì)合金鉆頭完成；第2組孔首先采用φ0.36mm硬質(zhì)合金鉆頭粗鉆，再用φ0.46mm硬質(zhì)合金鉆頭套鉆；第3組孔則首先采用φ0.4mm硬質(zhì)合金鉆頭粗鉆，再用φ0.46mm硬質(zhì)合金鉆頭套鉆。切削參數(shù)采用優(yōu)選的鉆削參數(shù)組合：主軸轉(zhuǎn)速14000r/min、啄鉆深度0.08mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.008mm/r。加工狀態(tài)及加工后試驗(yàn)件如圖7所示，3組孔位置見圖7中標(biāo)識(shí)，每組各12個(gè)孔。

3組孔加工后，使用針規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，尺寸均合格。在放大鏡下觀察試驗(yàn)件內(nèi)壁，如圖8所示，可以看到，第1組加工孔的出口有幾處帶有圓形“翻蓋”，而其他兩組所有孔的出口則都沒有出現(xiàn)，這說明擴(kuò)孔套鉆是避免圓蓋狀出口毛刺的有效加工方法。

對(duì)比第2組與第3組鉆削孔出口，可以發(fā)現(xiàn)粗鉆刀具直徑較小的第2組孔，鉆孔出口的毛刺要明顯小于第3組孔。這是因?yàn)椴煌臄U(kuò)孔余量所影響，越小的擴(kuò)孔切削量，在出口處，被切削的材料越容易產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)切削余量大于一定數(shù)值時(shí)，擴(kuò)孔套鉆與直接精鉆的出口毛刺則相差不大。第2組孔應(yīng)用的套鉆組合可以作為主燃級(jí)噴口的加工選擇。

圖7 毛刺控制模擬件加工圖Fig.7 Cutting burr simulation test part

圖8 毛刺控制試驗(yàn)工件圖Fig.8 Burr under different cutting parameters

4 結(jié)論

綜上所述，隨著高速加工中心設(shè)備、微型硬質(zhì)合金刀具制造技術(shù)的成熟，在保證切削設(shè)備、刀具動(dòng)平衡穩(wěn)定的前提下，使用鉆削技術(shù)可以高質(zhì)量地完成如航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴噴口這樣的微小孔加工。文本針對(duì)SLM成形的Hastelloy X 高溫合金，優(yōu)選了微小孔鉆削工藝參數(shù)，具體為主軸轉(zhuǎn)速14000r/min、啄鉆深度0.08mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.008mm/r，并采用了擴(kuò)孔套鉆方法有效地控制了內(nèi)腔出口毛刺，最后通過切削試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。本文總結(jié)的加工方法已在生產(chǎn)實(shí)際中得到了應(yīng)用，并且可為類似材料的微小孔加工提供參考。