某型機(jī)前軸頸加工工藝研究

于永濤，劉平江，劉軍

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧沈陽110015）

制造工藝

某型機(jī)前軸頸加工工藝研究

于永濤，劉平江，劉軍

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧沈陽110015）

某型機(jī)前軸頸是為發(fā)動機(jī)科研試驗(yàn)需要特殊設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)，壁厚減薄，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)精度高，加工難度大。通過分析論證，明確了加工難點(diǎn)，確定了零件最優(yōu)的加工工藝路線，設(shè)計(jì)了專用工裝，保證了零件的最終要求。對整個(gè)加工過程進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究總結(jié)，為后續(xù)前軸頸等復(fù)雜軸類零件的加工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

前軸頸；薄壁；數(shù)控加工；刀具設(shè)計(jì)

前軸頸是航空發(fā)動機(jī)的重要承力傳動零件，工作在每分鐘上萬轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)的工況下，與其他很多重要零部件配合連接，傳遞扭矩，承受很大的離心力和氣動力，對發(fā)動機(jī)整體性能影響很大，因而其在結(jié)構(gòu)形式、尺寸精度等多方面都有較高要求。

前軸頸裝配在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)接傳動的關(guān)鍵位置，裝配空間有限，同時(shí)還要附著安裝各類測量及數(shù)據(jù)采集裝置，且需兼顧減重及強(qiáng)度要求，朝著復(fù)雜、薄壁、高精的方向不斷優(yōu)化。某型機(jī)前軸頸因使用需要，采用了異常嚴(yán)格的技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，零件壁厚更薄，對生產(chǎn)加工提出了更高要求。本文結(jié)合實(shí)踐，全面跟蹤零件生產(chǎn)加工全過程，逐一解決了零件在精度、材料、變形控制等方面的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了較為合理的工藝路線，加工出了滿足使用要求的產(chǎn)品，為后續(xù)該類零件的加工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 前軸頸結(jié)構(gòu)工藝性分析

前軸頸結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸如圖1所示。

由圖1可知，前軸頸屬于薄壁零件，長度大，且沿軸向直徑變化梯度較大，難加工表面多，尺寸精度及技術(shù)條件嚴(yán)格，配合表面多且精度多控制在0.01～0.02 mm以內(nèi)，相對形位公差在0.02 mm以內(nèi)，加工過程中很容易產(chǎn)生變形。前軸頸同時(shí)包含了大的法蘭盤，英制雙徑節(jié)非標(biāo)準(zhǔn)花鍵，美制內(nèi)外螺紋，各種軸向、徑向及斜孔，多處圓弧轉(zhuǎn)接，各種鎖片槽、半圓槽，環(huán)形深槽等多種加工特性，加工難度較大。圖2為前軸頸的三維模型圖。

圖2 某型機(jī)前軸頸模型圖

前軸頸材料選用1Cr11Ni2W2MoV，其是一種馬氏體耐熱不銹鋼，具有良好的韌性、抗氧化性和耐腐蝕性，在高溫條件下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度，綜合力學(xué)性能較好，切削性能一般，已在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

采用以往方式在普通設(shè)備上加工，很難保證零件質(zhì)量，對操作者技術(shù)水平要求較高。因此，本零件需要在數(shù)控精密設(shè)備上加工，設(shè)計(jì)合理的刀具結(jié)構(gòu)，編制合理的數(shù)控程序，從而保證零件圖紙要求。

2 前軸頸加工工藝路線的確定

2.1 劃分加工階段

前軸頸的加工大致分為三個(gè)階段，即粗加工階段、半精加工階段和精加工階段。粗加工階段需要去除大部分加工余量，保證后續(xù)加工余量均勻，進(jìn)行超聲波探傷，為零件熱處理做好準(zhǔn)備。半精加工階段需要修正粗加工應(yīng)力產(chǎn)生的變形，進(jìn)一步保證加工余量均勻，進(jìn)行時(shí)效熱處理，消除加工應(yīng)力。精加工階段即要保證零件最終尺寸精度、形位公差及技術(shù)條件要求，根據(jù)加工要求選用精密機(jī)床及合理的裝夾方式和切削參數(shù)[1]。

2.2 簡要工藝路線

前軸頸的簡要加工工藝路線安排如下：

鍛件毛坯→粗車→超聲波探傷→粗車→熱處理→數(shù)控半精車→消除應(yīng)力熱處理→數(shù)控精車→配堵→外磨→滾齒→數(shù)控銑大部分孔和槽→加工螺紋→鏜斜孔→電火花加工余下孔槽→靜平衡→熒光檢查→涂干膜潤滑劑→終檢。

3 工藝難點(diǎn)及解決措施

3.1 合理選擇基準(zhǔn)

基準(zhǔn)的選擇要遵循易裝夾、定位面大和精度高的原則，以保證零件質(zhì)量。

根據(jù)本零件的結(jié)構(gòu)分析，在毛坯狀態(tài)開始加工時(shí)因余量較大，以外圓和端面為基準(zhǔn)即可；半精加工時(shí)需要考慮與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，若基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，造成較大偏差，后續(xù)精加工工序?qū)o法彌補(bǔ)；精加工時(shí)采用基準(zhǔn)重合的原則，使工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，以圖紙B面基準(zhǔn)為軸向基準(zhǔn)，A和C外圓為徑向基準(zhǔn)。

3.2 合理選擇裝夾方式及工序集中

零件裝夾時(shí)夾緊部位或多或少都會產(chǎn)生一些夾緊力，引起零件的局部彈性或塑性變形，影響零件的最終加工精度。因此，前軸頸半精加工及精加工時(shí)均采用軸向均勻壓緊及頂緊的方式，在零件外圓的中部、左端均預(yù)留了工藝壓邊，作為壓緊裝夾使用；在零件內(nèi)孔的左右兩端自然加長，過盈配裝堵頭，作為頂緊裝夾使用。壓緊和頂緊的裝夾方式可以使裝夾力沿軸向均勻分布，減少變形。零件半精加工及精加工過程中使用的裝夾方式綜合示意圖如圖3所示[2]。

圖3 前軸頸加工裝夾示意圖

為保證零件高精度尺寸及形位公差，精加工時(shí)盡量采用工序集中的原則，減少定位次數(shù)和定位誤差。

前軸頸的大部分外形尺寸公差需要靠數(shù)控車來保證，精加工時(shí)首先壓緊零件中間預(yù)留的工藝壓邊，加工內(nèi)形及右端外形；然后壓緊右側(cè)最大外圓，以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面B為基準(zhǔn)，加工其余外部型面，除花鍵處和其他兩處粗糙度要求較高的表面外，其余面加工至最終尺寸。由于裝夾次數(shù)少，減少了累積誤差，大部分形位公差可以在一次定位裝夾過程中靠數(shù)控加工保證。數(shù)控車后按內(nèi)孔兩端加長部分配堵，安排精磨工序，找正各基準(zhǔn)面，采用頂緊方式裝夾，精磨數(shù)控車留余量的幾處表面，保證其余形位公差。為保證零件質(zhì)量，精車和精磨工序的找正誤差控制在0.01 mm以內(nèi)。

3.3 時(shí)效

加工時(shí)每兩步車工序間將零件放置幾天，自然時(shí)效，使切削應(yīng)力逐步均勻釋放。

在零件進(jìn)行不同余量的半精加工后進(jìn)行兩次人工時(shí)效熱處理，減小或消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和微觀應(yīng)力，穩(wěn)定零件組織及切削性能，從而穩(wěn)定零件形狀及尺寸，控制變形，防止產(chǎn)生裂紋。

3.4 英制雙徑節(jié)非標(biāo)花鍵的加工

標(biāo)準(zhǔn)的英制雙徑節(jié)花鍵如圖4所示。圖中DP表示徑節(jié)，齒厚由雙徑節(jié)的分子決定，齒頂高由雙徑節(jié)的分母決定，雙徑節(jié)花鍵是普通花鍵的一種短齒形式。

圖4 英制雙徑節(jié)花鍵示意圖

鑒于前軸頸使用在轉(zhuǎn)速高、力矩大的工況下，為了提高強(qiáng)度，前軸頸上的雙徑節(jié)花鍵采用了非標(biāo)準(zhǔn)形式，人為增大了齒厚約0.5 mm，齒根圓增大1.2 mm，其余花鍵尺寸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸[3]。

英制雙徑節(jié)花鍵一般采用專用刀具加工，尤其前軸頸上的花鍵還是非標(biāo)準(zhǔn)形式，精度要求較高，更需要設(shè)計(jì)專用刀具，給加工帶來困難。考慮到成本和制造周期等因素，決定采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)刀具試制加工。由于沒有加工經(jīng)驗(yàn)，首先對試件進(jìn)行試制摸索。在加工試件的過程中不斷測量，對進(jìn)給量進(jìn)行控制，逐步先將齒根圓加工到位，保留齒厚方向上的余量，用量棒不斷測量齒厚，鑒別余量，然后雙面均勻進(jìn)刀將齒厚加工至圖紙尺寸，試件經(jīng)檢驗(yàn)合格。最后采用加工試件的方法對前軸頸進(jìn)行加工，加工出了合格的英制雙徑節(jié)非標(biāo)花鍵。

3.5 大深度環(huán)形槽的加工

如圖5可知，前軸頸在直徑陡然變大的轉(zhuǎn)接處有一處深85 mm的環(huán)形槽，普通標(biāo)準(zhǔn)刀具無法加工，而且尺寸無法直接檢測，加工難度很大。

圖5 前軸頸環(huán)槽示意圖

3.5.1 加工及檢測過程

經(jīng)過反復(fù)研究，制定了深環(huán)槽的加工及測量過程：

先將環(huán)槽外側(cè)外壁直徑尺寸Φ230.5加工到公差范圍以內(nèi)并記錄實(shí)測值，通過圖紙尺寸計(jì)算出環(huán)槽外側(cè)壁厚的理論厚度及公差范圍，加工外側(cè)內(nèi)壁時(shí)通過壁厚千分尺測量并控制壁厚，從而間接保證環(huán)槽外側(cè)內(nèi)壁的尺寸要求。環(huán)槽內(nèi)壁外圓直段尺寸Φ177和Φ144.5不能直接測量，可通過選擇與加工環(huán)槽外側(cè)內(nèi)外壁時(shí)的同一對刀零點(diǎn)，計(jì)算好槽寬的理論尺寸及公差范圍，通過程序間接保證。因?yàn)閹缀醪淮嬖谌藶檎`差，機(jī)床精度可以保證尺寸Φ177的0.02 mm的公差要求。

3.5.2 刀具設(shè)計(jì)

根據(jù)圖5環(huán)槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了專用車削刀具，刀具模型如圖6和圖7所示。由圖可知，刀具兩側(cè)均設(shè)計(jì)為內(nèi)外弧面，防止加工時(shí)與零件表面產(chǎn)生干涉或劃痕，同時(shí)弧面形式能夠有效減小應(yīng)力集中，剛性更好。刀體設(shè)計(jì)為臺階結(jié)構(gòu)，刀體后端厚度較大，前端約90 mm的長度厚度變小，略小于需加工的環(huán)槽寬度，這樣既可以保證刀具的剛性，又可以使刀具深入環(huán)槽進(jìn)行加工，滿足深度要求，設(shè)計(jì)兼顧了剛性與可使用性。

圖6 環(huán)槽內(nèi)側(cè)加工刀具

圖7 環(huán)槽外側(cè)加工刀具

4 結(jié)束語

本文通過對前軸頸的結(jié)構(gòu)形式和加工精度進(jìn)行分析，明確了加工難點(diǎn)，確立了加工工藝路線，設(shè)計(jì)了工裝和刀具，采取很多措施控制變形，保證精度。加工出的前軸頸實(shí)物如圖8所示。經(jīng)過檢驗(yàn)，按照本文工藝路線加工出來的前軸頸尺寸精度、形位公差、技術(shù)條件等完全符合圖紙要求，說明本文的工藝路線和加工方式是行之有效的。

圖8 某新機(jī)前軸頸實(shí)物圖

[1]田傳志.典型軸類零件的加工分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（15）：122.

[2]張輝，王君平，麻麗紅.雙環(huán)薄壁鑄鋁機(jī)匣的機(jī)械加工[J].航天工藝，2001（5）：7-10.

[3]張力.雙徑節(jié)漸開線檢測尺寸的計(jì)算及控制[J].金屬加工，2011（20）：58-60.

YU Yong-tao，LIU Ping-jiang，LIU Jun

（AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang Liaoning 110015，China）

Research On Processing Technology Of An Aeroengine Front Axle Neck

An aeroengine front axle neck is designed specially by a new structure for aeroengine experiments，the thinner wall thickness，the more complex structure，the higher design accuracy，the more difficult processing.It confirms the difficult points and optimal technology lines of processing，designs the appropriative process equipments according to analysis and demonstration，ensures the final requirements of the part.More detailed researches are carried out on the whole processing，accumulates some processing experiences for later complex axle parts like front axle neck.

front axle neck；thin wall thickness；NC machining；tool design

TH162.1

A

1672-545X（2017）03-0136-04

2016-12-18

于永濤（1987-），男，遼寧朝陽人，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)零部件制造技術(shù)研究；劉平江（1980-），男，吉林白城人，學(xué)士，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)零部件制造技術(shù)研究；劉軍（1961-），男，遼寧沈陽人，學(xué)士，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)零部件制造技術(shù)研究。