航空鼓筒轴零件加工工艺
|
对航空鼓筒轴零件材料及结构特点进行分析，通过陶瓷刀具的应用改进、装夹方式的改进以及参数化防误程序的应用，提升了车削加工质量与效率；通过涂层刀具的应用以及加工参数的优化，解决了法兰面“花边”铣削难题，同时有效降低了刀具使用成本，提升了鼓筒轴零件整体加工效率。 高压涡轮是航空发动机关键部件之一，高压涡轮鼓筒轴联接着高压涡轮和高压压气机，是传递发动机扭矩的主要部件[1]。鼓筒轴在航空发动机联接位置如图1所示。 图1 鼓筒轴在航空发动机联接位置 鼓筒轴工作条件较为恶劣，它承受着极复杂的外载荷，包括扭矩、弯矩、轴向力、横向力和振动等[2]。航空鼓筒轴属于薄壁空腔结构零件，整体刚性差，加工余量较大，加工效率低，同时加工精度要求高，加工过程易变形及产生振刀问题，加工工艺性差，属于薄壁弱刚性零件。 高压涡轮鼓筒轴材料为Inconel 718（GH4169）合金，是一种时效沉淀强化型镍基高温合金，被广泛用于制造喷气发动机的涡轮盘、涡轮轴、轴颈、封严环和叶片等高温部件[3]。作为一种难加工材料，Inconel 718合金具有导热性较差、加工硬化严重和易粘刀等特点，易造成切削加工性差、刀具使用寿命短及加工表面质量差等问题。 718（GH4169）高温合金材料的主要成分为镍，其镍含量为50%～55%，其余主要元素为Fe、Cr和Nb等。它是以体心立方晶格Ni3Nb（γ" ）和面心立方晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）强化的镍铁基合金（通常称为镍基合金）， 从低温到700℃以下具有高的屈服强度、拉伸强度和持久强度[4]。Inconel 718（GH4169）高温合金具有优异的高温强度，抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性。尤其在650℃高温下，其力学性能具有很好的稳定性，能够在600～1200℃承受一定的工作压力。但是Inconel 718（GH4169）高温合金切削加工性较差，具体表现为切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈、加工硬化、粘刀现象严重及排屑困难等[5]。典型Inconel 718高温合金化学成分见表1。 表1 典型Inconel 718高温合金化学成分（质量分数） 718（GH4169）高温合金与其他工程材料的切削加工性比较如图2所示，相比于其他材料，GH4169合金材料的切削加工性能偏低，属于难加工材料。镍基高温合金切削加工的主要问题表现在以下几个方面。 1）切削力较大，一般为加工钢材的1.5～2倍。 2）切削温度高，在相同条件下，切削温度约为45钢的1.5～2倍。 3）刀具磨损严重，机械磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损较严重，刀具寿命明显降低。 4）加工硬化现象严重，已加工表面硬度可达基体硬度的1.5～2倍。 5）切屑硬而韧，不易折断，造成切削过程中切屑处理困难。 高压涡轮鼓筒轴零件如图3所示。高压涡轮鼓筒轴前后端都带有安装边，是一种典型的“花边”结构。同时，在沿着圆周方向上，花边周围分布着一圈螺栓孔，通过短螺栓分别与高压压气机封严盘和高压涡轮封严盘联接。 图3 高压涡轮鼓筒轴零件 鼓筒轴零件结构如图4所示，零件前端φ377.744mm外径为径向基准，即基准B，前端面为轴向基准，即基准A，平面度要求为0.025mm，前端分布48处R6.35mm“花边”结构。后端外径为φ363.829mm，外径相对于A、B基准在自由状态下的跳动要求为0.05mm，在约束状态下的跳动要求为0.025mm。鼓筒轴零件中间部分壁厚仅为2.5mm，属于典型的薄壁弱刚性结构。 鼓筒轴零件主要加工工艺为车削、钻孔和铣“花边”，特种工艺主要有荧光检查、喷丸和静平衡等。 鼓筒轴零件毛坯质量约50kg，在零件最初开始试制时，粗车加工过程采用DNMG 150612-TF刀尖半径为1.2mm的硬质合金菱形刀片去除余量，效率低，生产周期长，不利于大批量生产。为了尽快转变加工现状，有效提高加工效率，缩短生产周期，尝试采用美国绿叶公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶须增强型陶瓷刀具，它是用特种陶瓷粉末材料，采用科学配方， 通过特殊生产工艺，使用现代化设备生产制造出来的。其特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性、优良的化学稳定性和低摩擦系数等，其切削加工效率为普通硬质合金的3～9倍。陶瓷刀片（见图5）为圆形，直径为12.7mm。陶瓷刀车削特点是高转速（200r/min），大背吃刀量（1～2mm）。 |
