航空鼓筒軸精（jīng）密加工（gōng）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（yǐ）及參（cān）數化防誤程序的應用，提升了車削加工質量與效率；通過塗層刀具的應用（yòng）以及加工參數的優化，解決了（le）法蘭麵“花邊”銑削難（nán）題，同時（shí）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（xiào）率。
1 序言（yán）
高壓渦輪是航空發動機關鍵部件（jiàn）之一，高壓渦（wō）輪鼓筒（tǒng）軸聯接（jiē）著高（gāo）壓渦輪和高壓壓氣機，是傳遞發動機扭矩的主（zhǔ）要部件[1]。鼓筒軸在（zài）航（háng）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（jí）複雜的外（wài）載荷，包括扭矩、彎（wān）矩、軸向力、橫向力和振動等[2]。航空鼓筒軸屬於薄壁空腔結構零件，整體剛性差，加工餘（yú）量較大，加工效率低，同時（shí）加工精度要求高，加工過程易（yì）變形及產生振刀（dāo）問（wèn）題，加（jiā）工工藝（yì）性（xìng）差，屬於薄壁弱剛性零件。
2 零件材（cái）料特性（xìng）及結構特征
2.1 材料（liào）特性
高壓渦輪鼓筒軸材料為（wéi）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、渦輪軸、軸頸、封嚴環和葉片等高溫部件[3]。作為一（yī）種難加工材料（liào），Inconel 718合金具有導熱性（xìng）較差、加工硬（yìng）化嚴重和易粘刀等特點，易造成切削加工性差、刀具（jù）使用壽（shòu）命短（duǎn）及加工表麵（miàn）質量差等（děng）問題。
Inconel 718（GH4169）高溫合金材（cái）料的主要成分為鎳（niè），其鎳含量為50%～55%，其餘主要元素為Fe、Cr和Nb等。它是以體心立方晶格Ni3Nb（γ" ）和麵心立方晶格Ni3Al、Ni3Ti和（hé）Ni3Nb（γ′）強（qiáng）化的鎳鐵（tiě）基合金（通常稱為鎳基合金），從低溫到700℃以下具（jù）有高的屈（qū）服強度（dù）、拉伸強度（dù）和持久強度[4]。Inconel 718（GH4169）高溫合金具有優異的高溫強度（dù），抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕（shí）能力和（hé）良好的（de）疲勞（láo）特性。尤其在650℃高溫（wēn）下，其力學性能具有很好的穩定性，能夠在600～1200℃承受（shòu）一定的工作（zuò）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（lì）大、切削溫度高、刀具磨損（sǔn）劇烈、加（jiā）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（qiē）削加工性比較如圖2所示，相比於其他（tā）材料，GH4169合金材料的切削加工性能偏低，屬於難加（jiā）工材料[6]。鎳基高溫合金切削加（jiā）工的主要問題（tí）表現在以下幾個方麵。
1）切削力較大，一般為加工鋼材的1.5～2倍。
2）切削（xuē）溫度（dù）高（gāo），在相同條件下（xià），切削溫度約為45鋼（gāng）的1.5～2倍。
3）刀（dāo）具磨損嚴重（chóng），機械磨損、粘結磨（mó）損、擴散磨損和氧化磨損較（jiào）嚴重，刀具壽命明顯降低。
4）加工硬化現（xiàn）象嚴重，已加工表麵硬度可達基體硬度（dù）的1.5～2倍。
5）切（qiē）屑硬而韌（rèn），不（bú）易折斷，造成切削過程中切屑處理（lǐ）困難。
2.2 零件結構特征
高壓渦輪鼓（gǔ）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，是一種典型的“花（huā）邊”結構。同時，在沿著（zhe）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（xiàng）基準，即基準B，前端麵為軸向基準，即基（jī）準A，平麵度要求為0.025mm，前（qián）端分（fèn）布48處R6.35mm“花邊”結構。後端外徑為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，在約束狀態下（xià）的跳動要求為0.025mm。鼓筒軸零件中間部（bù）分壁（bì）厚僅為2.5mm，屬於典型的薄壁弱剛性結構。
3 加工工藝方法
鼓（gǔ）筒軸零件主要加（jiā）工工藝為車削、鑽孔和銑“花邊”，特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡（héng）等。
3.1 車削工（gōng）藝改進
鼓筒（tǒng）軸零件毛（máo）坯質量約50kg，在零件最初開（kāi）始試製時，粗車（chē）加工過程采用DNMG 150612-TF刀尖（jiān）半徑為1.2mm的硬（yìng）質合金菱形刀片去除（chú）餘量，效率低，生（shēng）產周期長（zhǎng），不利於大批（pī）量生（shēng）產。為了盡快轉變加工現狀，有效提高加（jiā）工效（xiào）率，縮短生產周期，嚐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（tā）是用特種陶瓷粉末材料，采用（yòng）科（kē）學配（pèi）方，通過特（tè）殊生產工藝，使用（yòng）現代化設備（bèi）生產製（zhì）造出來的。其（qí）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（mó）擦係數等，其切削加工（gōng）效率為普通硬質合金（jīn）的（de）3～9倍。陶瓷刀片（見圖5）為圓形，直（zhí）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，由於對其加（jiā）工性能不夠（gòu）了解，且（qiě）陶瓷（cí）刀（dāo）片脆性大，因此（cǐ）加工過程中（zhōng）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。同時在基於前期多輪試驗的基礎上，對陶瓷刀（dāo）具的（de）進刀方式進行調整，改進（jìn）後（hòu）的陶瓷刀切削進刀方式如圖（tú）6所示。進刀時，采用斜（xié）向進刀與直線進刀（dāo）交替進行的方式，其最（zuì）大優勢是刀具每次切削時，切削刃與工件（jiàn）的接（jiē）觸點在不斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同（tóng）一接觸點的持續磨損，減小溝槽磨損的程度，減少換刀（dāo）片的時間，同時也（yě）大大提高了刀具的使用壽命。
在（zài）半精加（jiā）工過程（chéng）中，特別是在內型麵車削時，最初采用陶瓷（cí）刀去餘量，之（zhī）後采用硬質合金刀具清根。但是由於在（zài）實際加工過程中，操作人員需要頻繁換刀、對刀，不利於加工效率的提升，因此對加（jiā）工方式進行改進，具（jù）體（tǐ）方式是，在采用陶瓷刀具完（wán）成形麵半精加工後，不再采（cǎi）用硬（yìng）質合（hé）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（xiào）率（lǜ）也得到進一步的提升。
在精車加工試製過程中，由於鼓筒軸零件（jiàn）結構特點是壁薄（最（zuì）小（xiǎo）壁厚2.54mm），零（líng）件裝夾後懸伸較長（前後端總長約251mm），屬於典型的弱剛性結構。因此，加工過程中不（bú）可避免地出現振刀問題，進而造成零件局部變形，同時出現（xiàn）車削後零件壁（bì）厚不（bú）均勻現象，滿足不了（le）圖樣的表麵粗糙度要求，以及沿著圓周方向壁厚變化量不能超（chāo）過0.076mm的技術要求。針對這一問題，嚐試采用多種方法，比如優化切削參數、調整走刀方式等，但實際效果並（bìng）不明（míng）顯。考慮到零件（jiàn）在經（jīng）過粗加工、半（bàn）精加工後，大部（bù）分餘量已經去（qù）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（ruò），尤其是內壁加工處（chù）基本屬於空腔結構（gòu），車削（xuē）過程中振刀問題隨之產生，於是嚐試采用在（zài）零件（jiàn）外側纏（chán）繞橡膠繩套的方案，能夠有（yǒu）效增加（jiā）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（dāo）問（wèn）題（tí），最終表麵粗糙度及壁厚變化量均滿足技術（shù）要求。
在車削加工裝夾方式方麵，粗車外形加工過程（chéng）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（kào）性，采用單動卡盤進行外圓（yuán）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（dìng）心功能，所以每一個卡爪都需要（yào）單獨裝夾（jiá），然後再逐個調節找正（zhèng）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（shǎo）不必要的裝夾準備時間。為此，考慮（lǜ）嚐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，所以零件裝夾後能夠很快實現裝夾定（dìng）位及找正，可節（jiē）省不必要的（de）輔（fǔ）助準備時（shí）間，有效提高加工效（xiào）率。經過實（shí）際測算，采用自定心卡盤（pán）定位較單動（dòng）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）改進後（hòu）的自定心卡盤
此外（wài），在鼓筒軸零件的車削加工過程中，由於采用的刀具種類較多，操作人員需頻繁換（huàn）刀、對刀，這就需要操作人員根據刀片尺寸及加工餘量，通過計算，在機床係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（líng）件超差或報廢。基於此，為了盡量減少人為因素對零件加工質量的影響，考慮采用（yòng）參數化編程（chéng）方式進行程序防誤。參數化編程屬於自適應加工的一種典型應用，由於其特（tè）點是（shì）在參數化程（chéng）序中設置變量，變量（liàng）與變量之（zhī）間可（kě）進行（háng）邏輯運算，通過給參數變（biàn）量地（dì）址中賦值，然後（hòu）調用（yòng）變（biàn）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（jiàn）參數化防誤程序就是根據工序餘量安排（pái），將零件加（jiā）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（shù）變量，並使參數變量與數控程序中校刀防誤語句（jù）進（jìn）行邏輯結（jié）合，這樣（yàng）操作人員在啟動加工程序後，按照已經賦值的參數化防誤語句進行校刀（見圖10）。如果之前在機床係統中（zhōng）輸入相應參數變量的賦值有誤，那麽在（zài）校刀過程中就會發現校刀距離過寬或者過窄，這（zhè）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後，校刀過程才能夠正（zhèng）常開展，數（shù）控加工程序才能夠正（zhèng）常向後運行，這樣就可（kě）避免因刀補輸錯進而引起零件加工質量（liàng）問題的發生，有效保證了零件（jiàn）加工過程中的質量穩（wěn）定性和安全性（xìng）。
參數化防誤程序如下。
3.2 銑削工藝改進（jìn）
鼓筒軸零件的銑削加工主（zhǔ）要是前後端“花邊”銑削。法蘭（lán）麵“花邊”尺寸技術要求如圖（tú）11所示。法蘭端麵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（guò）程中，“花邊”的銑削去除餘量較大（dà），存（cún）在刀具崩刃及磨損嚴重的問題。精（jīng）加工後銑削“花邊”的表麵粗糙度也（yě）難以滿足技術要求。為了解決這（zhè）一問題，從加工刀具及加工參數上進行改進（jìn）。法蘭麵（miàn）“花邊”銑削加工（gōng）改進前後使用的刀具如（rú）圖12所（suǒ）示。改進前采用（yòng）φ11.8mm硬質合金銑刀（未塗層），改（gǎi）進後采用（yòng）φ11.8mm硬質合金（jīn）塗層銑刀（dāo）。
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（wèi）塗層與（yǔ）塗（tú）層硬質合金銑（xǐ）刀加工參數對比見表3。通（tōng）過刀具參數的優化改進，銑削（xuē）加工效（xiào）率得到一定（dìng）的提升。改進前“花邊（biān）”銑（xǐ）削時間為20min，改進後約為15min。同時刀具消耗量明顯下降，改（gǎi）進前銑削“花（huā）邊”需要消耗1支銑刀，刀具磨損較嚴重，零件表麵質量（liàng）較差；改進後的塗層刀具消耗量僅1/3支，也就是（shì）說，1支（zhī）改（gǎi）進（jìn）後的塗層刀（dāo）具可以完成3個零件的“花邊”銑削工作（zuò）量，加工成本降低，同時（shí）零件（jiàn）“花邊”處的表麵粗糙度完全（quán）滿足技術要求。
表3 未塗層與塗層硬質合金銑刀加工參數對比
4 結（jié）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（gōng）工藝進行改（gǎi）進。車削方麵，分別進行陶瓷刀具的應用改進、裝夾方式（shì）的（de）改進以及參數化防誤程序的應（yīng）用，提（tí）升了加工質量與效率；銑削方麵，著重解決“花邊”銑削（xuē）時刀具的磨損及表（biǎo）麵粗糙（cāo）度問題（tí），通過塗層刀具的應用、銑削加工參數的（de）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（xiàn）：
[1] 黃嵩（sōng）. 高（gāo）壓渦輪軸安裝邊倒（dǎo）角低應力設計方法[J]. 現代機械（xiè），2014（3）：15-16.
[2] 黃嵩（sōng）. 高壓渦輪軸細節結構低應力設（shè）計方法研究（jiū）[D].南京：南京航空航天大學，2014.
[3] 武導俠，姚倡鋒，趙磊，等. 陶（táo）瓷刀具車削GH4169表麵粗糙度（dù）研究[J]. 航空製（zhì）造技術，2012（19）：70-72.
[4] 趙秀芬，王玉華，劉陽，等. 鎳基高溫合金（jīn）的切削加工[J]．航空製造技術，2010（11）：46-50.
[5] 武導俠，張定華，姚倡鋒. GH4169高溫合金車削表麵完整性對疲勞性能的影（yǐng）響[J]. 航空材料學報（bào），2017（6）：59-67.
[6] 任小平. 高溫合金（jīn）GH4169車削加工（gōng）表麵完整性及（jí）抗疲勞加工工藝研究[D]. 濟南（nán）：山東大學，2019.
本文（wén）發表於《金屬加工（冷加工（gōng））》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（cháo），張瀟，劉彥軍，原標題：《航空鼓筒軸零件加工工（gōng）藝》。
