航空鼓筒軸精密加工零件加工工藝
對航空鼓筒軸零件材料及結構特點進行分析，通過陶瓷刀具的應用改進、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與效率；通過涂層刀具的應用以及加工參數的優化，解決了法蘭面“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，高壓渦輪鼓筒軸聯接著高壓渦輪和高壓壓氣機，是傳遞發動機扭矩的主要部件[1]。鼓筒軸在航空發動機聯接位置如圖1所示。
鼓筒軸工作條件較為惡劣，它承受著極復雜的外載荷，包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力和振動等[2]。航空鼓筒軸屬于薄壁空腔結構零件，整體剛性差，加工余量較大，加工效率低，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，屬于薄壁弱剛性零件。
2 零件材料特性及結構特征
2.1 材料特性
高壓渦輪鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169）合金，是一種時效沉淀強化型鎳基高溫合金，被廣泛用于制造噴氣發動機的渦輪盤、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、刀具使用壽命短及加工表面質量差等問題。
Inconel 718（GH4169）高溫合金材料的主要成分為鎳，其鎳含量為50%～55%，其余主要元素為Fe、Cr和Nb等。它是以體心立方晶格Ni3Nb（γ" ）和面心立方晶格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、拉伸強度和持久強度[4]。Inconel 718（GH4169）高溫合金具有優異的高溫強度，抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650℃高溫下，其力學性能具有很好的穩定性，能夠在600～1200℃承受一定的工作壓力。但是Inconel 718（GH4169）高溫合金切削加工性較差，具體表現為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現象嚴重及排屑困難等[5]。典型Inconel 718高溫合金化學成分見表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所示，相比于其他材料，GH4169合金材料的切削加工性能偏低，屬于難加工材料[6]。鎳基高溫合金切削加工的主要問題表現在以下幾個方面。
1）切削力較大，一般為加工鋼材的1.5～2倍。
2）切削溫度高，在相同條件下，切削溫度約為45鋼的1.5～2倍。
3）刀具磨損嚴重，機械磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴重，刀具壽命明顯降低。
4）加工硬化現象嚴重，已加工表面硬度可達基體硬度的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
高壓渦輪鼓筒軸零件如圖3所示。高壓渦輪鼓筒軸前后端都帶有安裝邊，是一種典型的“花邊”結構。同時，在沿著圓周方向上，花邊周圍分布著一圈螺栓孔，通過短螺栓分別與高壓壓氣機封嚴盤和高壓渦輪封嚴盤聯接。
鼓筒軸零件結構如圖4所示，零件前端φ377.744mm外徑為徑向基準，即基準B，前端面為軸向基準，即基準A，平面度要求為0.025mm，前端分布48處R6.35mm“花邊”結構。后端外徑為φ363.829mm，外徑相對于A、B基準在自由狀態下的跳動要求為0.05mm，在約束狀態下的跳動要求為0.025mm。鼓筒軸零件中間部分壁厚僅為2.5mm，屬于典型的薄壁弱剛性結構。
3 加工工藝方法
鼓筒軸零件主要加工工藝為車削、鉆孔和銑“花邊”，特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡等。
3.1 車削工藝改進
鼓筒軸零件毛坯質量約50kg，在零件最初開始試制時，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余量，效率低，生產周期長，不利于大批量生產。為了盡快轉變加工現狀，有效提高加工效率，縮短生產周期，嘗試采用美國綠葉公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶須增強型陶瓷刀具，它是用特種陶瓷粉末材料，采用科學配方，通過特殊生產工藝，使用現代化設備生產制造出來的。其特點為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性、優良的化學穩定性和低摩擦系數等，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。陶瓷刀車削特點是高轉速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。
在使用陶瓷刀片初期，由于對其加工性能不夠了解，且陶瓷刀片脆性大，因此加工過程中易出現崩刃現象，進而導致零件表面質量差等問題發生。經過現場多次試驗，最終確定加工參數：切削速度為200m/min，進給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時在基于前期多輪試驗的基礎上，對陶瓷刀具的進刀方式進行調整，改進后的陶瓷刀切削進刀方式如圖6所示。進刀時，采用斜向進刀與直線進刀交替進行的方式，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斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點的持續磨損，減小溝槽磨損的程度，減少換刀片的時間，同時也大大提高了刀具的使用壽命。
在半精加工過程中，特別是在內型面車削時，最初采用陶瓷刀去余量，之后采用硬質合金刀具清根。但是由于在實際加工過程中，操作人員需要頻繁換刀、對刀，不利于加工效率的提升，因此對加工方式進行改進，具體方式是，在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后，不再采用硬質合金刀具進行清根處理，而是繼續采用陶瓷刀具進行清根，大大縮短了換刀、對刀時間，加工效率也得到進一步的提升。
在精車加工試制過程中，由于鼓筒軸零件結構特點是壁薄（最小壁厚2.54mm），零件裝夾后懸伸較長（前后端總長約251mm），屬于典型的弱剛性結構。因此，加工過程中不可避免地出現振刀問題，進而造成零件局部變形，同時出現車削后零件壁厚不均勻現象，滿足不了圖樣的表面粗糙度要求，以及沿著圓周方向壁厚變化量不能超過0.076mm的技術要求。針對這一問題，嘗試采用多種方法，比如優化切削參數、調整走刀方式等，但實際效果并不明顯。考慮到零件在經過粗加工、半精加工后，大部分余量已經去除，零件壁厚逐漸減薄，加之懸臂過長，車削過程中整體剛性減弱，尤其是內壁加工處基本屬于空腔結構，車削過程中振刀問題隨之產生，于是嘗試采用在零件外側纏繞橡膠繩套的方案，能夠有效增加零件懸臂剛性，降低車削過程中的“共振”現象，從而基本消除車削振刀問題，最終表面粗糙度及壁厚變化量均滿足技術要求。
在車削加工裝夾方式方面，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，但是在實際加工過程中發現，采用這種裝夾方式，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，然后再逐個調節找正定心，比較耗費時間，尤其是在有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，考慮嘗試采用自定心卡盤進行裝夾定位，因為自定心卡盤具有自定心功能，所以零件裝夾后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夾時間約0.5h。
a）改進前的單動卡盤 b）改進后的自定心卡盤
此外，在鼓筒軸零件的車削加工過程中，由于采用的刀具種類較多，操作人員需頻繁換刀、對刀，這就需要操作人員根據刀片尺寸及加工余量，通過計算，在機床系統中人為輸入刀補值。但是在實際加工過程中，經常因為人為因素輸錯刀補造成零件超差或報廢。基于此，為了盡量減少人為因素對零件加工質量的影響，考慮采用參數化編程方式進行程序防誤。參數化編程屬于自適應加工的一種典型應用，由于其特點是在參數化程序中設置變量，變量與變量之間可進行邏輯運算，通過給參數變量地址中賦值，然后調用變量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余量安排，將零件加工前的外圓或內孔的徑向及軸向理論尺寸與實際測量尺寸分別賦值給不同的參數變量，并使參數變量與數控程序中校刀防誤語句進行邏輯結合，這樣操作人員在啟動加工程序后，按照已經賦值的參數化防誤語句進行校刀（見圖10）。如果之前在機床系統中輸入相應參數變量的賦值有誤，那么在校刀過程中就會發現校刀距離過寬或者過窄，這樣操作人員就很容易發現問題，從而重新確認之前參數的刀補賦值是否有誤，直到輸入正確的參數賦值后，校刀過程才能夠正常開展，數控加工程序才能夠正常向后運行，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。
參數化防誤程序如下。
3.2 銑削工藝改進
鼓筒軸零件的銑削加工主要是前后端“花邊”銑削。法蘭面“花邊”尺寸技術要求如圖11所示。法蘭端面在沿圓周方向上分布48處R6.35mm的半圓形“花邊”。在實際銑削加工過程中，“花邊”的銑削去除余量較大，存在刀具崩刃及磨損嚴重的問題。精加工后銑削“花邊”的表面粗糙度也難以滿足技術要求。為了解決這一問題，從加工刀具及加工參數上進行改進。法蘭面“花邊”銑削加工改進前后使用的刀具如圖12所示。改進前采用φ11.8mm硬質合金銑刀（未涂層），改進后采用φ11.8mm硬質合金涂層銑刀。
銑削刀具改進的同時，在加工參數上也進行相關切削試驗。未涂層與涂層硬質合金銑刀加工參數對比見表3。通過刀具參數的優化改進，銑削加工效率得到一定的提升。改進前“花邊”銑削時間為20min，改進后約為15min。同時刀具消耗量明顯下降，改進前銑削“花邊”需要消耗1支銑刀，刀具磨損較嚴重，零件表面質量較差；改進后的涂層刀具消耗量僅1/3支，也就是說，1支改進后的涂層刀具可以完成3個零件的“花邊”銑削工作量，加工成本降低，同時零件“花邊”處的表面粗糙度完全滿足技術要求。
表3 未涂層與涂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。車削方面，分別進行陶瓷刀具的應用改進、裝夾方式的改進以及參數化防誤程序的應用，提升了加工質量與效率；銑削方面，著重解決“花邊”銑削時刀具的磨損及表面粗糙度問題，通過涂層刀具的應用、銑削加工參數的優化，有效降低了刀具使用成本，提升了零件整體加工效率。
參考文獻：
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[2] 黃嵩. 高壓渦輪軸細節結構低應力設計方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.
[3] 武導俠，姚倡鋒，趙磊，等. 陶瓷刀具車削GH4169表面粗糙度研究[J]. 航空制造技術，2012（19）：70-72.
[4] 趙秀芬，王玉華，劉陽，等. 鎳基高溫合金的切削加工[J]．航空制造技術，2010（11）：46-50.
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[6] 任小平. 高溫合金GH4169車削加工表面完整性及抗疲勞加工工藝研究[D]. 濟南：山東大學，2019.
本文發表于《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：《航空鼓筒軸零件加工工藝》。
