航空鼓筒軸精密（mì）加工零件加工（gōng）工藝
對航（háng）空鼓筒軸零件材料（liào）及結構特點進行分析（xī），通過陶瓷刀具的應用改（gǎi）進、裝夾方式的改進以（yǐ）及參數化（huà）防誤程序的應用，提升了車削加工質量與效率；通（tōng）過塗層刀具的應用以及加工參（cān）數的優化，解決了法蘭麵“花（huā）邊”銑削難題，同時有效降低了刀具使用成本，提升了鼓筒軸零件整體加（jiā）工效率。
1 序言
高壓渦輪是航（háng）空發動機關鍵部件之一，高壓渦輪鼓筒軸聯接著高壓渦輪和高壓壓氣（qì）機，是傳遞發動機扭矩的（de）主要部件[1]。鼓筒軸在航空發動機聯（lián）接位置如圖1所示。
鼓筒軸工作條件較為惡劣，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]。航空鼓筒軸屬於（yú）薄壁空（kōng）腔結（jié）構零件，整體（tǐ）剛性差，加（jiā）工餘量較大，加工效率低（dī），同時加工精度（dù）要求高，加工過程易（yì）變形（xíng）及產生振刀問題，加（jiā）工工（gōng）藝性差（chà），屬於薄壁弱剛性零件。
2 零件材料特性及結（jié）構特征
2.1 材料特性
高壓渦輪鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時效沉澱強化型鎳基高溫合金，被廣泛用於製造噴氣發動機的渦輪盤、渦（wō）輪（lún）軸、軸頸、封嚴（yán）環和葉片等（děng）高溫部件[3]。作為一種難（nán）加工材料，Inconel 718合金具有導熱性較（jiào）差、加工硬化嚴重和易粘刀等特點（diǎn），易造成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表麵質量差（chà）等問題。
Inconel 718（GH4169）高溫合金（jīn）材料的主要成分為（wéi）鎳，其鎳含量為（wéi）50%～55%，其餘主要元素為Fe、Cr和（hé）Nb等。它是以體心（xīn）立方晶格Ni3Nb（γ" ）和（hé）麵（miàn）心立（lì）方（fāng）晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）強化的鎳鐵基合金（通常稱為鎳基合金），從低溫到700℃以下具有高的屈服強度、拉伸強度（dù）和持久強度（dù）[4]。Inconel 718（GH4169）高溫（wēn）合金具有優異的高（gāo）溫強度，抗氧（yǎng）化、抗（kàng）蠕（rú）變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650℃高溫下（xià），其力學性能（néng）具有很好的穩定性，能夠在600～1200℃承受（shòu）一定的工作壓力。但是Inconel 718（GH4169）高溫合金切削加工性較差，具體表現為切（qiē）削力大（dà）、切削溫（wēn）度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現（xiàn）象嚴重及排屑困難等[5]。典型Inconel 718高溫（wēn）合金（jīn）化（huà）學成分見表1。
Inconel 718（GH4169）高溫合金與其他工程材料的切削加工性比較如圖2所（suǒ）示，相比於（yú）其他材料，GH4169合金材料的切（qiē）削加（jiā）工性能（néng）偏低，屬於難加工材料[6]。鎳基（jī）高溫合金切削加工的主要問題表現在以下幾個方麵。
1）切削（xuē）力較大（dà），一般為加工鋼材的1.5～2倍。
2）切削溫度高，在相同條件（jiàn）下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍。
3）刀（dāo）具（jù）磨損嚴重，機械磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴重，刀具壽命明（míng）顯降低。
4）加工硬化現象嚴重（chóng），已加工表麵硬度可達基體硬度的（de）1.5～2倍。
5）切屑硬而韌，不易折斷，造成切削過程中切屑處理困難。
2.2 零件結構特征
高壓渦輪鼓筒（tǒng）軸零件如圖3所示。高壓渦輪鼓筒軸前後端都帶有安裝邊，是一種（zhǒng）典型的“花邊”結構。同時（shí），在（zài）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（shuān）分別與高壓壓氣機封嚴盤和高壓渦輪封嚴盤聯接。
鼓（gǔ）筒（tǒng）軸零件結構如圖4所示（shì），零（líng）件前端φ377.744mm外（wài）徑為徑向基準，即基準B，前端麵為軸向基準（zhǔn），即基準A，平麵（miàn）度要求（qiú）為0.025mm，前端分布48處R6.35mm“花邊”結構。後端外徑（jìng）為φ363.829mm，外徑相對於A、B基準在自由狀態下的跳動要求為0.05mm，在約束（shù）狀態（tài）下的跳動要求為（wéi）0.025mm。鼓筒軸零件中間部分壁厚僅為2.5mm，屬（shǔ）於典型的薄壁弱剛性結構。
3 加工（gōng）工藝方法
鼓（gǔ）筒軸零件主要加工工藝為車（chē）削、鑽孔（kǒng）和銑“花（huā）邊”，特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡（héng）等。
3.1 車削工藝改進
鼓筒軸零件毛坯質量約50kg，在零件最（zuì）初開始試製時，粗車加工過（guò）程采用DNMG 150612-TF刀尖半（bàn）徑為1.2mm的硬（yìng）質合金菱形刀片去除餘（yú）量，效率低，生產周期長，不利於大批量生產。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（cháng）試（shì）采用（yòng）美國綠葉公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶須增強（qiáng）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（gōng）藝（yì），使用現代化（huà）設備生產製造出（chū）來（lái）的。其特點為（wéi）高硬度、高強度（dù）、高紅硬性（xìng）、高（gāo）耐（nài）磨（mó）性、優良的化（huà）學（xué）穩（wěn）定性和低（dī）摩擦（cā）係數等（děng），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。陶瓷刀車削特（tè）點是高轉速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。
在使用（yòng）陶瓷刀片初期，由於對其加工性（xìng）能不（bú）夠了解，且陶瓷刀片脆性大（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，最（zuì）終（zhōng）確定加工參數：切削速度（dù）為200m/min，進給量（liàng）為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時在基於前期多輪試驗的基（jī）礎（chǔ）上，對陶瓷刀具的進刀方式進行（háng）調整，改進後的陶瓷刀切削進刀（dāo）方式如圖6所示（shì）。進刀時，采用斜向進刀與直線進刀交替進行的（de）方式，其最大優勢是刀具每次切削時，切削刃與工件的接觸點在不（bú）斷變化，這樣（yàng）能夠有效（xiào）減小刀具在同一接觸（chù）點的持續磨損，減小溝槽磨損的程度，減少換刀片的（de）時間，同時也大大提高了刀具的使用壽命。
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（zhī）後采用（yòng）硬質合金刀具清根（gēn）。但是由於在實際加工過程中，操作人員（yuán）需要頻繁換刀、對（duì）刀，不利於加工效率的（de）提升，因此對加工方式進行改進，具體方式是，在采（cǎi）用陶（táo）瓷刀具完成形（xíng）麵（miàn）半精加工（gōng）後，不再采用（yòng）硬質合金刀具進（jìn）行清根處理，而（ér）是繼續采用陶瓷刀具進行清根，大大縮短了換刀、對刀時間，加（jiā）工效率也（yě）得到進一步的提升。
在精車加工試製過程（chéng）中，由於鼓筒軸零件結構特點是壁薄（最（zuì）小（xiǎo）壁厚2.54mm），零件裝夾後懸伸較長（zhǎng）（前後端總長約（yuē）251mm），屬於典型的弱剛性結構。因（yīn）此，加工過程（chéng）中不可避免地出現振刀問題，進（jìn）而造成零件局部變形，同時出現車（chē）削後零件壁厚不（bú）均勻現（xiàn）象，滿足不了圖樣的表（biǎo）麵粗糙度要求，以及沿著圓周方向壁厚變（biàn）化量（liàng）不能超過0.076mm的技術要求。針對這一問題，嚐試采用多種方法，比（bǐ）如優（yōu）化切削參數、調整走（zǒu）刀方式（shì）等，但實（shí）際效果並不（bú）明顯。考慮到零件在經過（guò）粗（cū）加工、半精加工後，大部分餘量（liàng）已經去除，零件壁厚（hòu）逐漸減薄，加之懸臂過長，車（chē）削過程中整體剛性（xìng）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（wèn）題隨之產生，於是嚐試采用在零件外側纏繞橡膠繩套的方案，能夠（gòu）有效增加零件（jiàn）懸臂剛性，降低車削過程中的“共振”現象，從而基（jī）本消除車（chē）削振刀問題，最終表麵粗糙度及壁厚（hòu）變化量均滿足技術要求。
在車削加工裝夾方式方麵，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（zuì）初加工時考慮到裝夾的（de）穩定性與可靠性（xìng），采用單動（dòng）卡盤進（jìn）行外圓定位裝（zhuāng）夾，但是在實際加工過程中發現，采用這種裝夾方式，因為單動卡（kǎ）盤不具有自定心功（gōng）能（néng），所以每一個（gè）卡爪都需要單獨裝夾，然後再逐個（gè）調節找正定心，比較耗費時間，尤其是在有一定批量（liàng）的生（shēng）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（shì）采用自定心卡盤進（jìn）行（háng）裝夾定位，因為（wéi）自定心卡盤具有自定心功能，所以零件裝夾後能夠很快（kuài）實現裝夾（jiá）定位及找正，可節省不必（bì）要的輔助準備時間，有（yǒu）效（xiào）提高加工效率。經過實際測算，采用自定心卡盤定位較單動卡盤（pán）定位每個零件節省裝夾時間（jiān）約0.5h。
a）改（gǎi）進前的單動卡盤 b）改進後的（de）自定心卡盤
此外，在鼓筒軸零件（jiàn）的車削加工（gōng）過程中，由於采用的（de）刀具種類較多，操作人員需頻繁換（huàn）刀、對刀（dāo），這就需要操作人員根據刀片尺寸（cùn）及加工餘量，通（tōng）過計算，在機床係統中（zhōng）人為輸入刀補值。但是在實際加工過程中，經常因為人為因素（sù）輸錯刀補造成零件超差或報廢。基於此（cǐ），為了盡量減少人為因素對零件加工（gōng）質量的影響，考慮采用參數（shù）化編程方式（shì）進行程（chéng）序（xù）防誤。參數化編程屬於自適（shì）應加（jiā）工的（de）一種典型（xíng）應用，由於其（qí）特點是在參數化程（chéng）序中設置變（biàn）量，變量與（yǔ）變量之間可進行邏輯運算，通過給參數變量地址中賦值，然（rán）後調用變量（liàng）地址中的賦值進行邏輯運算及邏輯判斷，因此，鼓筒軸零件參數化防誤程序就是根據工序餘量（liàng）安排，將零件加工前的外圓或內孔的（de）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（cān）數變量與數控程序中校刀防誤語（yǔ）句進行（háng）邏輯結合，這樣操作人員在啟動加工程序後，按照已經賦值的參數（shù）化防誤語句進行校刀（見圖10）。如果之前在機床係統中輸入相應參數變（biàn）量的賦值有誤，那麽在校刀（dāo）過程中就會發現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（xīn）確（què）認之（zhī）前參數的刀補賦（fù）值是（shì）否有誤，直到（dào）輸入正確的參數賦值後，校刀過程才（cái）能夠正常開展，數控加工程（chéng）序才能夠正常向（xiàng）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，有效保證了零件加工過程中的質量穩定性和安全性。
參數化防誤程序如（rú）下。
3.2 銑削工藝改進
鼓筒軸零件的銑削加工主要是前後端“花邊”銑削（xuē）。法蘭麵“花邊”尺寸技（jì）術要求如圖11所示。法蘭端（duān）麵在沿圓周方向上分布48處R6.35mm的半圓（yuán）形“花邊”。在實際銑（xǐ）削加工過程中，“花邊”的銑削去除餘量較大，存在刀具崩刃及磨損嚴重的問題。精加工後銑削“花邊”的表麵粗糙度也難以滿（mǎn）足技術要（yào）求。為了解決（jué）這一問題，從加工刀具及加工參數上進行（háng）改進。法蘭麵（miàn）“花邊”銑削（xuē）加工改進前後使用（yòng）的刀具如圖12所示。改進前采用φ11.8mm硬質（zhì）合金銑刀（dāo）（未塗層），改進後采用φ11.8mm硬質合金塗層銑刀。
銑削刀具改進的同時（shí），在加工參數上也進行相關切削試（shì）驗。未塗層與塗（tú）層硬質合金銑刀加工參數對比見（jiàn）表（biǎo）3。通過刀具參數的優（yōu）化改進，銑削加工效率得到一定的提升。改進前“花（huā）邊”銑削時間為20min，改進後約為15min。同時刀具消耗量明（míng）顯下降，改進前（qián）銑削“花邊”需要消耗1支銑刀，刀具磨損較嚴重，零件表麵質量較差；改（gǎi）進後的塗層刀具消耗（hào）量僅（jǐn）1/3支，也（yě）就是說，1支（zhī）改進後（hòu）的塗層刀具可以（yǐ）完成3個零（líng）件的“花邊”銑削工作量，加工成本（běn）降低，同時（shí）零件“花邊”處的表麵粗糙度完全滿足（zú）技術要求。
表3 未塗（tú）層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（líng）件材料及結構特點（diǎn）進行分析，對零（líng）件加工工（gōng）藝進行改進。車削方麵，分別進行陶瓷刀具（jù）的應用改進、裝夾（jiá）方式的改進以及參數化防誤程序的應（yīng）用，提升了加工質量與效率；銑削方麵，著重解（jiě）決“花邊”銑削時刀具的磨損（sǔn）及表麵（miàn）粗糙度（dù）問題，通過塗層刀具（jù）的應用、銑（xǐ）削（xuē）加工參數的優化，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（wén）發表於《金屬加工（冷加工）》2023年第1期64~68頁，作（zuò）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（yuán）標題：《航空鼓筒軸零件加工工藝》。
