航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪后軸加工工藝研究

羅興宇

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412000）

高壓渦輪后軸作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量直接關(guān)系到整機(jī)的性能及壽命。針對(duì)高壓渦輪后軸的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)，需要選用與之相適應(yīng)的高速立銑刀、立銑刀等刀具。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命，必須控制產(chǎn)品的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。此外，對(duì)汽輪機(jī)尾軸的加工過程進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，包括工件裝夾、刀具軌跡規(guī)劃、機(jī)床調(diào)試等。分析與控制高壓渦輪后軸的加工工藝，可以提高后軸零件的質(zhì)量和生產(chǎn)率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命[1-2]。

1 渦輪后軸零件的加工工藝路線擬定

1.1 渦輪后軸零件的加工難點(diǎn)

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子元部件本體中的一個(gè)關(guān)鍵部件——高壓渦輪后軸[3]，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括空腔的淺角輻板、密封的格柵、高精度的內(nèi)外螺紋、各種型面交錯(cuò)的溝槽、高精度的孔以及小的深孔等。

后軸的較小端軸頸連接著軸承座，較大端法蘭連接著渦輪盤，大的內(nèi)孔螺紋和管道總成裝配在一起。這些裝配部位的尺寸精度都有很高要求。以大法蘭內(nèi)圓止口、法蘭端面為基準(zhǔn)，軸頸端與軸承座的配合外周直徑為0.015 mm，圓柱度要求為0.008 mm，與基準(zhǔn)A 面和B 面的跳動(dòng)量為0.01 mm。大端限位器與渦輪盤配接，尺寸容差為0.022 mm，而大端外徑的容差為0.032 mm，基準(zhǔn)A 面和B 面的跳動(dòng)量為0.01 mm。在內(nèi)孔上安裝管道總成，其尺寸誤差為0.025 mm。

除了對(duì)精度要求極高外，后軸的結(jié)構(gòu)也極為復(fù)雜。大端部的淺角輻形曲面是一種非常復(fù)雜的曲面，開放性不好，在加工過程中很難觀測(cè)，容易產(chǎn)生刀具和夾具之間的干涉，從而使制造變得更加困難。軸頸孔具有多個(gè)階梯槽，其相對(duì)位置關(guān)系比較復(fù)雜。各槽槽型各不相同，相互間的角度關(guān)系也比較復(fù)雜，并且與徑向孔存在一定的相對(duì)位置關(guān)系。如果將槽群設(shè)置在工件內(nèi)孔上，不但不易觀測(cè)，而且對(duì)加工工具的要求很高，需要定制特殊刀具[4]。

1.2 加工材料特性分析

本項(xiàng)目采用GH4169 型高溫合金作為主要材料，制作渦輪轉(zhuǎn)子、機(jī)匣、壁板等熱件。高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、抗氧化能力，以及耐腐蝕能力強(qiáng)、韌性好、塑性好等特點(diǎn)，可以在600 ℃以上的高溫環(huán)境中承受較大應(yīng)力。因此，該材料得到了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前航空航天領(lǐng)域的首選材料。目前，40%～60%的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件是由高溫合金制成的，多分布在燃燒室和渦輪轉(zhuǎn)子上。高溫合金是航空航天領(lǐng)域的重要材料，在服役過程中既要耐高溫又要抗低溫，需要承受快速變化的溫度梯度、劇烈應(yīng)力和高載荷等挑戰(zhàn)。

GH4169 是目前使用最多的一種高溫合金，具有如下特點(diǎn)：第一，具有優(yōu)異的塑性和高強(qiáng)度，可在650 ℃以下使用；第二，切削能力是普通碳素鋼的1.5 倍；第三，熱導(dǎo)率低，在相同的切削速度和切削深度下，其切削溫度比45 鋼高50%～100%；第四，經(jīng)過冷作強(qiáng)化處理后，該材料制成的工件表面會(huì)出現(xiàn)硬度比母材高出2～3 倍的淬火層。由于切削載荷大、加工溫度高、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、加工效率低下，加工GH4169 材料對(duì)刀具的要求非常高。同時(shí)，刀具在高溫下易分散和發(fā)生氧化磨損，嚴(yán)重降低了使用壽命。鑒于GH4169 的綜合性能和制造難度，對(duì)后軸零件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 渦輪后軸零件加工工藝路線規(guī)劃

在優(yōu)化零件的加工工藝路線前，要根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖紙，分析零件的結(jié)構(gòu)、使用功能、技術(shù)條件、尺寸公差以及裝配關(guān)系等，全面認(rèn)識(shí)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造難點(diǎn)，形成相應(yīng)的加工基準(zhǔn)和加工方式，制定合理的加工路徑。由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)條件要求高、壁薄易變形，在工藝路線的安排上，要堅(jiān)持先粗加工再精加工、粗精和精加工分離的基本原則，把加工劃分為幾個(gè)階段，并根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行加工余量分配，盡可能地使加工余量保持一致。工件具有多個(gè)曲面，且對(duì)曲面的定位精度要求很高，因此單次裝夾的定位精度應(yīng)小于0.01 mm。加工制備時(shí)間較長(zhǎng)，重復(fù)裝夾容易造成工件變形，降低工件品質(zhì)，因此在精整過程中，應(yīng)盡量選擇相同基準(zhǔn)，運(yùn)用工序集中原理，一次性完成多個(gè)曲面的裝夾，縮短加工時(shí)間。同時(shí)，合理安排各輔助工序，以保證零件的高質(zhì)量和高效率加工。

2 加工工藝路線改進(jìn)

機(jī)械加工過程的優(yōu)化在于確定機(jī)械加工的先后次序時(shí)必須明確如何進(jìn)行工藝安排。后輪軸壁厚為3～6 mm，是一種典型的薄壁厚構(gòu)件，再加上其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此通常要進(jìn)行多個(gè)工序的加工。原來的工藝流程按照粗、細(xì)、半精、精4 個(gè)步驟來執(zhí)行。這樣的加工路徑盡管可以使余量均勻，減小變形，但由于階段劃分過細(xì)，加工工序繁多，需要大量加工設(shè)備和模具。此外，零件在各設(shè)備間頻繁流動(dòng)，既增加了加工準(zhǔn)備時(shí)間，又增加了生產(chǎn)壓力，導(dǎo)致零件加工周期長(zhǎng)，增加了加工成本。

分析原有的工藝路線，精加工和粗加工是用同一種設(shè)備進(jìn)行的，而精加工階段只是在粗加工的基礎(chǔ)上進(jìn)一步消除了剩余量，使零件的余量分布更為均勻，從而降低零件變形。為此，可以在粗加工過程中細(xì)化加工工步，將粗、細(xì)2 個(gè)階段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)均一化，并依據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸精度需求，對(duì)加工余量進(jìn)行再分配，實(shí)現(xiàn)粗、半精、精3 個(gè)階段的加工[5]。

在確定工藝環(huán)節(jié)后，還要考慮工藝的集中化與分散化。在組織加工過程時(shí)，往往把各加工因素集中到少數(shù)幾個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)，從而得到更高的工藝條件和加工效率以及更低的生產(chǎn)成本，提升工藝穩(wěn)定性。

由于零部件結(jié)構(gòu)元素和設(shè)備的限制，有必要將加工工藝離散化。粗加工時(shí)，由于毛料余量較大，有不規(guī)則氧化皮，加工振動(dòng)較大，通常在一般機(jī)床上進(jìn)行加工。因此，粗加工階段的加工表面比較簡(jiǎn)單，加工過程比較分散。如果加工表面復(fù)雜、加工精度高，則使用高精度、高剛性的數(shù)控裝備進(jìn)行加工，以確保加工質(zhì)量與效率。

在原來的加工方法中，精加工過程多、耗時(shí)長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定。本項(xiàng)目擬將車銑復(fù)合工藝引入零件加工過程，基于車銑復(fù)合裝備的特征及零部件的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)工藝路線進(jìn)行再優(yōu)化，使得精加工過程更加集成，使加工表面與銑削加工表面盡可能集中于一道工序，減少加工步驟，縮短工藝路線。改進(jìn)用于精整加工工裝的結(jié)構(gòu)，取消后續(xù)的銑槽、鉆孔等工序所需的工裝，節(jié)約了成本。為解決小型深孔加工質(zhì)量不高的難題，提出了采用槍鉆工藝取代傳統(tǒng)電加工工藝的方法，提高了加工效率和質(zhì)量。

3 優(yōu)化后的工藝路線分析與驗(yàn)證

根據(jù)上述分析和設(shè)計(jì)圖的具體要求，對(duì)高壓渦輪后軸零件的加工工藝進(jìn)行初步改造，改造后的工藝流程如圖1 所示。優(yōu)化后的工藝路線在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，并采用分段加工方法。在加工前，對(duì)工件進(jìn)行表面處理，包括去毛刺和控制表面粗糙度。在加工過程中，利用數(shù)控機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行加工，并采取合理的工藝方案和參數(shù)，確保零件的質(zhì)量與精度。在粗磨階段，采用立式鉆床進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔；在半精磨階段，采用立式銑削機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工；在精磨階段，采用立式鉆床在中心鉆孔。為了提高加工效率和生產(chǎn)節(jié)奏，采用自動(dòng)更換刀具裝置。在車削階段，采用立式銑床或立式車床來車削零件中心孔。車削零件中心孔是一個(gè)非常重要的工序，需要采用專用刀具，保證工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

圖1 改進(jìn)后工藝路線

為了驗(yàn)證新技術(shù)方案的可行性與可靠性，采用新的技術(shù)路線進(jìn)行了試制。測(cè)量加工后的工件，發(fā)現(xiàn)工件的大端外圓偏差為0.015 mm，而標(biāo)注值為0.010 mm；零件軸頸軸承座配合外圓周的粗糙度要求為0.800 μm，但實(shí)測(cè)的表面粗糙度為0.825～0.933 μm。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，工件在徑向發(fā)生了變形，造成工件跳動(dòng)量超標(biāo)。分析工件加工工藝發(fā)現(xiàn)，工件經(jīng)過半精整后未得到充分釋放，產(chǎn)生了加工應(yīng)力，因此要對(duì)半精整后的工件進(jìn)行熱處理，以最大限度釋放殘余應(yīng)力。

加工后的表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，零件軸頸配合面的粗糙度超差，因此在小端面上進(jìn)行精加工后，再進(jìn)行外圓加工。在確定工藝路線后，還要設(shè)計(jì)具體的工藝過程，確定每個(gè)工藝的具體位置及余量。在設(shè)計(jì)每道工序的具體加工內(nèi)容前，先分析每道機(jī)加工序、輔助工序中的變形量，再根據(jù)各道工序?qū)ぜ挠嗔啃枨鬀Q定具體余量。分析工件余量的方法主要有查表法、經(jīng)驗(yàn)估算法、解析計(jì)算法等。當(dāng)前，各企業(yè)普遍采用經(jīng)驗(yàn)估算法，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況和有關(guān)測(cè)試結(jié)果來確定工件加工余量。

4 結(jié)語

在實(shí)際加工中，需要根據(jù)產(chǎn)品要求、材料性質(zhì)等因素選擇合適的加工工藝，并進(jìn)行必要的試驗(yàn)和驗(yàn)證，同時(shí)需要不斷改進(jìn)和完善加工工藝，以提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。