航空鼓筒軸精密加工零件加（jiā）工工藝
對航空鼓筒軸零件材料（liào）及結構特點（diǎn）進行分析，通過（guò）陶（táo）瓷刀具的應用改進、裝夾方式的改（gǎi）進以及參數化防誤程序的應用，提升（shēng）了車（chē）削加工（gōng）質量與效率；通過塗層刀具（jù）的應用以及加工參數的優化，解決了法蘭麵“花邊（biān）”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（zhěng）體加（jiā）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（jī），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（jiào）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（xiàng）力和（hé）振動等[2]。航空鼓筒軸屬於薄壁空腔（qiāng）結構零件，整體剛（gāng）性差，加工餘量較大，加工（gōng）效率（lǜ）低（dī），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（gōng）工藝性差，屬於薄壁弱剛性零件。
2 零件材料特性及結構特征
2.1 材料特（tè）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、渦輪軸、軸頸、封嚴環和葉片等高（gāo）溫部件[3]。作為一種難加（jiā）工材料（liào），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（zào）成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表麵（miàn）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%，其餘主要元素為Fe、Cr和Nb等。它是以體心立（lì）方晶格Ni3Nb（γ" ）和麵心立方晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb（γ′）強化的（de）鎳鐵基（jī）合金（通常稱（chēng）為鎳基合金），從低溫（wēn）到700℃以下具有高的屈服強度、拉伸強（qiáng）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（yǎng）化、抗蠕變、抗腐（fǔ）蝕能力和良好的疲勞特（tè）性。尤其在650℃高溫下（xià），其力學性能具（jù）有很好的（de）穩定性（xìng），能夠在600～1200℃承受一定的工作壓力。但是Inconel 718（GH4169）高溫（wēn）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（mó）損劇烈、加工硬化、粘刀現象嚴（yán）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（xìng）比（bǐ）較如圖2所示，相比於其他材料（liào），GH4169合金材料的切削加工性能偏低，屬於難加工材料[6]。鎳基高溫合金（jīn）切削加工的主要問題表現在以下幾個方麵（miàn）。
1）切削力較大，一般為（wéi）加工鋼材的1.5～2倍。
2）切（qiē）削溫度（dù）高，在相同條件（jiàn）下，切削溫度（dù）約（yuē）為45鋼（gāng）的1.5～2倍。
3）刀（dāo）具磨損嚴重，機械磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧（yǎng）化磨損較嚴重，刀具壽命明顯降低。
4）加工硬化現象嚴重，已加工表麵硬度（dù）可達基體硬度的（de）1.5～2倍。
5）切屑硬（yìng）而韌，不易折斷，造成切削過程（chéng）中（zhōng）切屑處理困難。
2.2 零件結構（gòu）特征
高壓渦（wō）輪鼓筒軸零件如圖3所示。高壓渦輪鼓筒（tǒng）軸（zhóu）前後端都帶有安裝邊，是（shì）一種典型的“花邊”結構。同時，在沿著圓周（zhōu）方向上，花邊周圍（wéi）分布著一圈螺栓孔，通過短螺栓分別與高壓（yā）壓氣機封嚴盤和高壓（yā）渦（wō）輪封（fēng）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（duān）麵為軸向基準，即基（jī）準A，平麵度要求為0.025mm，前（qián）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，屬於典型的薄（báo）壁弱剛性結構。
3 加工工（gōng）藝方法
鼓筒軸零件主要加工工藝為車削（xuē）、鑽孔和銑“花邊”，特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡等。
3.1 車削（xuē）工藝改進
鼓筒（tǒng）軸零件毛坯質量約50kg，在（zài）零（líng）件最初開始試製時，粗車加（jiā）工過程采用DNMG 150612-TF刀（dāo）尖半（bàn）徑為1.2mm的硬質（zhì）合金菱（líng）形刀片去除餘量，效率低，生產周期長，不利於大批量生產。為了盡快（kuài）轉變加工現狀，有效提高加工效率，縮短生產周期，嚐試采用美（měi）國綠葉公司（sī）的RNGN-120700 T1型WG-300晶須（xū）增強型陶瓷刀具，它（tā）是用特種陶瓷粉末材料（liào），采用科學配方，通（tōng）過（guò）特殊生（shēng）產工藝，使用現代化設備生產（chǎn）製（zhì）造出（chū）來的。其特點為高硬度、高強度、高紅硬性（xìng）、高耐磨性、優良的化學穩定性和低摩擦係（xì）數等，其切削加（jiā）工效率為（wéi）普通硬質合金的3～9倍。陶瓷刀片（見圖5）為（wéi）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（qī），由於（yú）對（duì）其加工性能不夠了解，且陶（táo）瓷刀片脆性大，因此加工過程中易出現崩刃現象，進而導（dǎo）致零（líng）件表麵質量差等問題發生。經過現場多次試（shì）驗，最終確定加工（gōng）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，對陶瓷刀具的進刀方式進行調整，改進後的陶瓷（cí）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（shì）是（shì）刀具每次切削時，切削刃（rèn）與工件的接觸點在不斷（duàn）變化，這樣能夠有效減小刀具在同一（yī）接觸點的持續磨損，減小溝（gōu）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（zài）半精加工過程中，特別是在內型（xíng）麵車削時，最初采（cǎi）用（yòng）陶瓷刀去餘量，之後采用硬質合金刀具清根。但是由於在（zài）實（shí）際加工過程中，操作人員需要頻繁（fán）換刀、對刀，不利於加工效率的提升，因此對加工方式進行改進（jìn），具體方式是，在采用陶瓷刀具完（wán）成形麵半精加工後，不再采用硬質合金刀具進行清（qīng）根處理，而是繼續采（cǎi）用陶瓷刀（dāo）具進行清根，大大縮（suō）短了換刀、對刀時間，加工效率（lǜ）也得到進（jìn）一步的（de）提升。
在精車加（jiā）工試製過程中，由於鼓筒軸零件結構特點是壁薄（最小壁厚（hòu）2.54mm），零件裝夾後懸伸較長（前後端總（zǒng）長約251mm），屬於典型的（de）弱剛性結構。因此（cǐ），加工（gōng）過程中不（bú）可避免地出現振刀問題，進（jìn）而造成零件局部變形，同時出現車削後零件壁厚不均勻現象，滿足不了圖（tú）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過0.076mm的技術要求。針對這一問題，嚐試采用多種（zhǒng）方法，比如（rú）優化切削（xuē）參（cān）數、調整走刀（dāo）方式等，但實際效果並不明顯。考慮到零件在經過粗加工、半精加工後，大部分餘量已經去除，零（líng）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（shì）內壁加工處（chù）基本屬於空腔結構，車削過程中振刀問題（tí）隨之產生，於是嚐試采用在零件外側纏繞橡（xiàng）膠繩套的方案，能（néng）夠有效增加零件懸臂剛性，降低車（chē）削過程中的“共振”現象（xiàng），從而基本消除車削振刀問題（tí），最終表麵粗糙度及壁厚變化量均滿足技術要求（qiú）。
在（zài）車削加工裝夾方式方麵，粗車外形加工過程中（zhōng），因為零件毛料為筒狀（zhuàng）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（cǎi）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（dòng）卡盤不具（jù）有自定心功能，所以每一個卡爪都需要單獨裝夾，然後再逐個調節找正定心，比較耗費時間（jiān），尤其是（shì）在有一定批量（liàng）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，考慮嚐（cháng）試采用自定心（xīn）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位及找正，可節省不必要的輔（fǔ）助準備時間，有效（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定位每個零件節省（shěng）裝夾時間約0.5h。
a）改進前的（de）單動（dòng）卡盤 b）改進後的自定心卡盤
此外，在鼓筒軸零件的車削加工過程中，由於采用的刀具（jù）種類較多，操作人員（yuán）需（xū）頻繁換刀、對刀，這就需要操作人（rén）員根據刀（dāo）片尺寸及加工餘量，通過計算，在機床係統（tǒng）中人（rén）為輸入刀（dāo）補值。但是在實際加工（gōng）過程中，經常因為人為因素輸錯刀補造成零（líng）件超（chāo）差或報廢。基於此，為了盡量（liàng）減少人為因素對零件加工質量的影響，考（kǎo）慮采用（yòng）參數化編程（chéng）方（fāng）式（shì）進行程序防誤。參數化編程屬於自適應加工的（de）一種典型應用，由於其特點是（shì）在參數化程序中設置變量，變量與變（biàn）量之間可進行邏輯運算，通過給參數變量地（dì）址中賦值，然後（hòu）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（tǒng）軸零件參數化防誤程序就是根據工序餘量安排，將（jiāng）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（bú）同的參數變（biàn）量，並使參數變（biàn）量與數（shù）控（kòng）程序中校（xiào）刀防誤語句進行邏輯結合，這（zhè）樣操作人員（yuán）在啟（qǐ）動加工程序後，按照已經賦值的參數化（huà）防誤（wù）語句進行校刀（見圖（tú）10）。如果之前在機（jī）床係統中輸入相應參（cān）數（shù）變量的賦值有誤，那麽在校刀（dāo）過程中（zhōng）就會發（fā）現校刀距離過寬或者（zhě）過窄，這樣操作人員就很容易發（fā）現問題，從而重新確認之前參數的刀補賦值是否有誤，直到（dào）輸入正確的參數賦值後，校刀過程（chéng）才能夠正常開（kāi）展（zhǎn），數（shù）控加工程序才能夠正常向後運行，這樣就可避免因刀補輸錯進而引起零件（jiàn）加（jiā）工質量（liàng）問題的發生，有效保證了零件加工過程中的質（zhì）量（liàng）穩定性和安全性。
參數化防誤程序如下。
3.2 銑削工藝改進（jìn）
鼓筒軸（zhóu）零件的銑削加工主要是前後端“花邊”銑削（xuē）。法蘭麵“花（huā）邊”尺（chǐ）寸技（jì）術要求如圖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”。在實際銑削加工過程中，“花邊”的銑削去除餘（yú）量較大，存在（zài）刀具崩（bēng）刃及磨損（sǔn）嚴重的問題。精加工後銑削（xuē）“花邊”的表麵粗糙度也難以滿足技術要（yào）求。為了解（jiě）決這一（yī）問題，從（cóng）加工刀具及加工參數上（shàng）進行改（gǎi）進。法蘭麵“花邊”銑削加工改（gǎi）進前後使用的刀（dāo）具如圖12所示。改進前采用φ11.8mm硬質合金銑刀（未塗（tú）層），改進後采用φ11.8mm硬質合金塗層銑刀。
銑（xǐ）削刀具改進的同時，在加工參數上也（yě）進行（háng）相關切削試驗。未塗層與塗（tú）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（gǎi）進，銑削加工效率得到一定的提升。改進前“花邊（biān）”銑削時間為20min，改進後約為（wéi）15min。同時刀具消耗量明顯下降，改進前（qián）銑削“花（huā）邊”需要消耗1支銑刀，刀具磨損較（jiào）嚴重，零件表麵質量較差；改（gǎi）進後的塗層刀具消耗量（liàng）僅1/3支，也就是說，1支改（gǎi）進後的塗層刀具可以完成3個零件（jiàn）的“花邊”銑（xǐ）削工作量（liàng），加工成本降低，同時零件“花邊”處（chù）的表麵粗糙度完全滿（mǎn）足技術要求。
表3 未塗層與塗層硬質合金銑刀加工參數對（duì）比
4 結束語
通過對（duì）航空（kōng）鼓筒軸零件（jiàn）材料及結構特點進行分析，對零件加工工藝進行改進（jìn）。車（chē）削（xuē）方麵，分別進行陶（táo）瓷刀具的應用改進、裝夾方式的改進以及參數化防（fáng）誤程序（xù）的應用，提升了加工質量與效率（lǜ）；銑削方麵（miàn），著重解決“花（huā）邊”銑削（xuē）時刀具（jù）的磨損及表麵（miàn）粗（cū）糙度問（wèn）題，通（tōng）過塗（tú）層刀具的應用、銑削（xuē）加工參數的優化，有效（xiào）降低了刀具使用成本，提（tí）升了零件整體加工效率。
參考文（wén）獻：
[1] 黃嵩. 高壓渦輪軸安裝邊倒角（jiǎo）低應力設（shè）計方法[J]. 現代機械，2014（3）：15-16.
[2] 黃嵩. 高壓渦輪軸（zhóu）細節結構低應力設計方法研究[D].南京：南（nán）京航空航天大學，2014.
[3] 武導俠，姚倡（chàng）鋒，趙磊，等. 陶瓷刀具車削GH4169表麵粗糙度研究[J]. 航空製造技術，2012（19）：70-72.
[4] 趙秀芬，王（wáng）玉華，劉陽，等. 鎳基高溫合金的切削加工[J]．航空製造技術，2010（11）：46-50.
[5] 武導俠，張（zhāng）定華，姚倡鋒. GH4169高溫合金車削表麵完（wán）整性對疲（pí）勞性能的（de）影響[J]. 航空材料學報，2017（6）：59-67.
[6] 任小平. 高溫合金GH4169車（chē）削加工表麵完整性及抗疲（pí）勞加工工藝研究[D]. 濟南：山東大學（xué），2019.
本文發表於《金屬加工（冷加工）》2023年第1期（qī）64~68頁，作者（zhě）：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（jun1），原標題：《航空鼓筒軸零件加工工藝》。
