航空鼓筒轴零件加工工艺

时间:2023-03-20作者:佚名

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)

航空鼓筒轴零件加工工艺

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)。

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