轉(zhuǎn)子外環(huán)塊的機(jī)械加工技術(shù)研究

張忠偉　梁宏坤　郭煥龍

摘要：轉(zhuǎn)子外環(huán)塊為壓氣機(jī)部分的一個(gè)重要零件，該零件材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，是較復(fù)雜的薄壁機(jī)匣類零件，尺寸精度要求比較高，機(jī)械加工過程比較困難。針對(duì)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊的特點(diǎn)，通過從加工工藝路線、定位基準(zhǔn)、車削刀具、車削用量、工裝夾具、精車工序內(nèi)容等的考慮和研究，總結(jié)出了一套切實(shí)可行的機(jī)械加工方法，解決了大直徑薄壁外環(huán)塊加工難題。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；壓氣機(jī)；外環(huán)塊

中圖分類號(hào)：TQ171 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）17-0027-03

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路封嚴(yán)配副中使用可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)，可以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路封嚴(yán)性能，減少氣體泄漏，降低油耗，增大推力，不損傷轉(zhuǎn)子，易于更換維修，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能。封嚴(yán)涂層由于其生產(chǎn)工藝簡便、封嚴(yán)效果好、易于返修和調(diào)整，是氣路封嚴(yán)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

轉(zhuǎn)子外環(huán)塊（以下簡稱外環(huán)塊）是發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部分的重要零件，它裝配于壓氣機(jī)機(jī)匣內(nèi)腔，與轉(zhuǎn)子葉片配副起封嚴(yán)作用，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片像砂輪一樣磨削與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子外環(huán)塊上的封嚴(yán)涂層來達(dá)到氣路封嚴(yán)的目的。

外環(huán)塊是機(jī)匣類零件，薄壁、直徑大、尺寸精度高、形狀精度高、表面粗糙度低，加工難度比較大。針對(duì)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊的特點(diǎn)，本文從加工工藝路線、定位基準(zhǔn)、車削刀具、車削用量、工裝夾具、精車工序內(nèi)容等方面對(duì)外環(huán)塊加工技術(shù)進(jìn)行了摸索研究。

1 外環(huán)塊工藝特性分析

1.1 外環(huán)塊結(jié)構(gòu)特性

圖1 外環(huán)塊剖面

外環(huán)塊為錐形薄壁扇形件，直徑大——最大直徑Φ500多，厚度薄——壁厚最薄1.3mm，寬度窄——軸向長度不到30mm，其主要有以下幾種結(jié)構(gòu)特征：起安裝固定作用的兩處寬1.70-0.02mm凸臺(tái)、內(nèi)壁深10+0.1mm的噴涂封嚴(yán)槽以及端面各處倒角等，各處型面粗糙度不大于Ra1.6μm，大端止口端面與端面平行度不大于0.02mm，大端止口內(nèi)孔與小端止口內(nèi)孔半徑差為1.350+0.03，具有較高的尺寸精度和形狀位置要求，其中基準(zhǔn)處直徑要求在機(jī)床上檢測的公差在ΦM0-0.02mm范圍內(nèi)。

1.2 外環(huán)塊材料特性

0Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度、耐腐蝕、抗氧化和可焊性，尤其是抗腐蝕疲勞性能及抗水滴沖蝕能力優(yōu)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%Cr鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能。多用于制造既要求有不銹性及耐弱酸、堿、鹽腐蝕又要求高強(qiáng)度的部件。適用于制造400℃以下工作的高強(qiáng)度耐蝕零件，例如飛機(jī)、導(dǎo)彈的重要螺栓、銷等緊固件、配件、蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)零件（葉片），發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣的前后安裝邊和閥門部件、彈簧、刃具等，以及發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置精鑄件、火電機(jī)組用汽輪機(jī)葉片等。

450℃～500℃時(shí)時(shí)效強(qiáng)度達(dá)最高值，550℃時(shí)左右時(shí)效強(qiáng)韌性配合最好。要求更高韌性、塑性及耐蝕性能，可于≥580℃進(jìn)行時(shí)效，已達(dá)到冷作硬化的目的。

材料塑性、韌性大，易產(chǎn)生積屑瘤，還會(huì)出現(xiàn)被加工表面的撕扯現(xiàn)象，使表面粗糙度差。

1.3 外環(huán)塊加工難點(diǎn)

外環(huán)塊是機(jī)匣類零件，直徑大、壁薄、型面尺寸精度高、形狀精度高、表面粗糙度低，加工難度比較大。主要有以下難點(diǎn)：（1）零件直徑大、壁薄，加工過程中極易因機(jī)加應(yīng)力產(chǎn)生形變；（2）零件型面尺寸、形狀精度要求較高，加工比較困難。

2 外環(huán)塊加工技術(shù)研究

針對(duì)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊的加工特性和加工難點(diǎn)，在工藝編制和機(jī)械加工過程中必須采取相應(yīng)的措施，以控制和減少各種外界因素對(duì)加工過程產(chǎn)生的影響，主要從以下幾個(gè)方面考慮和處理：加工工藝路線、定位基準(zhǔn)、車削刀具、車削用量、工裝夾具、精車工序內(nèi)容等。

2.1 加工工藝路線的安排

按照加工性質(zhì)和作用的不同，工藝過程一般可劃分為如下加工階段：粗加工階段、半精加工階段、精加工階段和光整加工階段。機(jī)械加工順序的安排按照“先基面后其他、先主后次、先粗后精”的原則。

熱處理工序中固溶處理屬于毛坯預(yù)備性熱處理，應(yīng)安排在機(jī)械加工之前進(jìn)行；淬火+回火處理屬于改善零件組織結(jié)構(gòu)和加工性能并達(dá)到零件最終要求的硬度，安排在粗加工后進(jìn)行；對(duì)于尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件要求進(jìn)行穩(wěn)定熱處理，消除零件殘余應(yīng)力，并且一般安排在半精加工后精加工前。

零件壁非常薄，機(jī)加過程中的內(nèi)應(yīng)力集中易引起形變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致零件報(bào)廢。為了減少精加工去除量，消除機(jī)加應(yīng)力，在機(jī)加過程中應(yīng)安排一次到兩次半精加工工序，并且相應(yīng)安排一次到兩次穩(wěn)定熱處理。

特種檢驗(yàn)如水浸超聲波探傷多用于工件材料內(nèi)部質(zhì)量的檢驗(yàn)，一般安排在工藝過程的開始；熒光檢驗(yàn)主要用于表面質(zhì)量的檢驗(yàn)，通常安排在精加工階段。

熱噴涂是一種利用某種熱源將涂層材料加熱、熔融或軟化，并以高速氣流將其霧化，使噴涂材料的溶滴以一定的速度噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面上，形成涂層的表面改性技術(shù)，通常安排在精加工階段之后。

確定外環(huán)塊的主要機(jī)加工藝路線如下：

鍛件（固溶狀態(tài)提供）→粗車（去除余量，為超聲波檢查做準(zhǔn)備）→超聲波（檢查材料內(nèi)部質(zhì)量）→熱處理（達(dá)到零件最終要求硬度）→立車（平基準(zhǔn)）→細(xì)車（去除余量）→穩(wěn)定熱處理（消除機(jī)加內(nèi)應(yīng)力）→立車（平基準(zhǔn)）→半精車（去除余量，為精加工做準(zhǔn)備）→穩(wěn)定熱處理（消除機(jī)加內(nèi)應(yīng)力）→立車（平基準(zhǔn)）→數(shù)控精車（精加工內(nèi)外壁型面，去除工藝安裝邊）→線切割（切分成瓣）→鉗工（修挫倒角）→熒光檢查→噴涂→終檢。

2.2 定位基準(zhǔn)的選擇

定位基準(zhǔn)的合理選擇不僅影響整個(gè)加工工藝的安排和夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而且直接影響著機(jī)械加工的質(zhì)量與穩(wěn)定性。

精定位基準(zhǔn)的選擇應(yīng)主要遵循以下原則：（1）便于裝夾和易于獲得所需的加工精度；（2）精度高，裝夾穩(wěn)定可靠，定位面較大。

在工藝安排中，在零件兩端分別預(yù)留工藝安裝邊（大端外工藝安裝邊、小端內(nèi)工藝安裝邊）作為零件加工基準(zhǔn)，保證能夠加工到零件的所有表面。為了獲得均勻的加工余量和較高的位置精度，采用零件兩端面互為基準(zhǔn)、反復(fù)加工的原則。

2.3 車削刀具的選取

切削刀具的選擇主要取決于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、所要求的加工精度和表面粗糙度、生產(chǎn)率及經(jīng)濟(jì)性等。一般應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)刀具，必要時(shí)采用高生產(chǎn)率的復(fù)合刀具及其他專用刀具。

刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素，對(duì)于加工效率、加工質(zhì)量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。刀具材料應(yīng)具有較高硬度、強(qiáng)度和韌性，又具有良好的耐磨性、抗氧化性及抗粘接性。硬質(zhì)合金刀具應(yīng)選用含

Ta（Nb）的鎢鈷類（YG）。

根據(jù)我單位實(shí)際加工單件小批加工特點(diǎn)，在數(shù)控臥式車床車削不銹鋼材料過程中經(jīng)常使用某品牌刀具，通用性能和使用效果良好。該刀具材質(zhì)為KC5010，表面為高級(jí)PVD TiA1N涂層，非合金硬質(zhì)基體，具有出色的抗變形性能。該材質(zhì)是對(duì)大多數(shù)工件材料進(jìn)行精加工和普通加工的理想之選，速度更高。在加工狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，非常適合于大多數(shù)鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬材料和高溫合金的加工。

2.4 車削用量的選擇

選擇在剛性較好的CKS6180 X2000全功能數(shù)控臥式車床上進(jìn)行車削加工，其最大加工直徑Φ800mm。在車削過程中選取車削用量應(yīng)遵循以下原則：（1）切削速度不宜過高，以減小切削溫度，避免刀具急劇磨鈍失效；（2）進(jìn)給量不宜過大，以保證加工表面光潔，避免切削負(fù)荷太重；但也不宜過小，以免切屑刃在上次進(jìn)給所形成的冷硬層內(nèi)工作；（3）切削深度不宜過大，避免切削力增大，引起變形振動(dòng)，也不宜過小，以避免在前道工序所留下的加工硬化層或毛坯外皮內(nèi)切削。

經(jīng)過工藝試驗(yàn)，確定在實(shí)際精加工中采用的切削用量為v=60～80m/min，ap=0.1～0.2mm，f=0.1～0.2mm/r。

2.5 工裝夾具的設(shè)計(jì)

工藝裝備的選擇原則為：在單件小批生產(chǎn)中，應(yīng)盡量選用通用夾具和組合夾具，在大批量生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工序加工要求設(shè)計(jì)制造專用夾具。外環(huán)塊的加工屬于單件加工，因此盡量選擇通用裝備，但是由于零件結(jié)構(gòu)的特殊性，也設(shè)計(jì)了一些專用的工裝夾具。

為盡量減少和避免外環(huán)塊裝夾過程中產(chǎn)生變形，在裝夾過程中不應(yīng)采用卡盤直接徑向夾緊零件的方式裝夾，應(yīng)采用墊盤支靠端面、軸向壓緊的方式進(jìn)行裝夾。

圖2 精車內(nèi)孔及小端工裝

設(shè)計(jì)的精車內(nèi)壁及小端專用工裝如圖2所示，以墊盤凸臺(tái)定位零件，墊盤凸臺(tái)與零件大端內(nèi)止口間隙配合，采用圓弧型面壓板多點(diǎn)壓緊零件大端外側(cè)圓弧槽。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)非常明顯：壓板能夠最大限度接觸并壓緊零件，更重要的是能夠最大限度地減少零件裝夾次數(shù)。特別強(qiáng)調(diào)的是壓板應(yīng)12～16處多點(diǎn)壓緊，擰緊螺栓時(shí)應(yīng)采用限力扳手，盡量避免因受擰緊力不均產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致零件形變。

在墊盤定位凸臺(tái)與零件大端內(nèi)止口接觸處，特別要注意兩處結(jié)構(gòu)（如圖3所示）：（1）墊盤與零件大端面接觸處（序號(hào)1處）應(yīng)留適當(dāng)?shù)拈g隙，以方便拆卸；（2）墊盤凸臺(tái)與零件止口配合處（序號(hào)2處）應(yīng)保持間隙0.02～0.03mm。

圖3 墊盤與零件配合處

2.6 精車工序內(nèi)容的安排

為了控制零件變形，采用分層交替切削法進(jìn)行精車：即在精加工過程中，沿著零件表面采用小切削量逐層交替均勻去量，使零件內(nèi)應(yīng)力得到均勻釋放。

圖4 精車工步二

圖5 精車工步三

合理安排精車工序加工內(nèi)容非常重要，為減少裝夾次數(shù)，逐層切削時(shí)均分兩次裝夾加工到零件全部表面，且最后一刀的精車分三個(gè)工步進(jìn)行：（1）工步一：平零件小端端面，端面跳動(dòng)不大于0.01mm；（2）工步二：支靠零件小端端面，壓板壓緊小端工藝安裝邊，加工出大端外圓大部、端面及大端內(nèi)孔小部；（3）工步三：以墊盤凸臺(tái)定位，支靠零件大端內(nèi)止口端面，采用圓弧型面壓板壓緊零件大端外側(cè)圓弧槽，加工出小端外圓其余及小端端面、小端內(nèi)孔其余。

2.7 注意事項(xiàng)

由于此零件壁薄、直徑大，尺寸精度和形位要求高，在車削過程中要特別注意以下四點(diǎn)：（1）定位基準(zhǔn)的加工精度要好，應(yīng)小于零件尺寸和形位精度的1/3；（2）精加工中，同一型面應(yīng)盡量避免接刀，以免形成接刀痕；（3）刀具鋒利，刀具半徑要小，以減小加工形變，增加光潔度；（4）刀具切削方向應(yīng)垂直于定位面，以消除機(jī)加應(yīng)力，減少形變。

2.8 實(shí)際加工中出現(xiàn)問題

在半精車穩(wěn)定熱處理后零件出現(xiàn)了變形，翹曲量較大，單邊達(dá)到了0.5mm，若此時(shí)進(jìn)行精加工勢必會(huì)產(chǎn)生更大形變。

考慮到零件有足夠余量，為了達(dá)到消除機(jī)加內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定零件尺寸的目的，另行增加了立車平基準(zhǔn)和穩(wěn)定熱處理工序，并且在此次穩(wěn)定熱處理過程中利用工裝對(duì)零件兩端面進(jìn)行裝夾和固定，以穩(wěn)定尺寸和控制變形。結(jié)果證明采取的措施非常有效。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)子外環(huán)塊是典型的大直徑薄壁難加工類零件，存在變形及尺寸精度高等加工難題。在合理安排加工工藝路線前提下，選用合適的切削刀具、切削用量，巧妙設(shè)計(jì)工裝夾具，精心安排精車工序內(nèi)容等，降低加工難度，控制和減少變形等因素的影響，保證了零件加工質(zhì)量，滿足了設(shè)計(jì)要求，在實(shí)踐基礎(chǔ)上總結(jié)出了一套可靠高效的大直徑薄壁零件加工方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 干勇，田志凌，董瀚，馮滌，王新林.鋼鐵材料手冊(cè)（下）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)（第3卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

作者簡介：張忠偉（1979—），男，遼寧莊河人，沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所工程師，研究方向：機(jī)械加工生產(chǎn)

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