航空發(fā)動機(jī)中壓渦輪短軸焊接技術(shù)

魏苗苗 李昱翰

摘 要：在中壓渦輪焊接短軸的零件加工中，軸承環(huán)和封嚴(yán)齒的加工是整個零件加工的難點(diǎn)。軸承環(huán)的圓度、封嚴(yán)齒的輪廓度和跳動值都極易超差。本文通過對圖紙要求的理解、加工路線的分析，針對關(guān)鍵磨削工藝開展了分析與改進(jìn)，通過實(shí)際加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：焊接短軸零件；軸承環(huán)圓度；芯軸；封嚴(yán)齒

中圖分類號：V23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中壓渦輪焊接短軸是某知名發(fā)動機(jī)公司發(fā)動機(jī)中的零件，零件由法蘭環(huán)、鎳基高溫合金和低碳合金鋼的軸承環(huán)組成。該中壓渦輪焊接短軸零件的尺寸特征有289個，法蘭環(huán)端面的平面度為0.02mm，作為后續(xù)加工中的軸向基準(zhǔn)，軸承環(huán)外徑為207.0455+/-0.0075mm，內(nèi)徑為189.038+/-0.023mm，圓度要求0.005mm，垂直度相對水平基準(zhǔn)小于0.005mm，加工中易變形，加工難度很大。另外，該零件在加工結(jié)束后會通過8個銷子，在有倒角的8個孔中，裝配一個起到封嚴(yán)作用的內(nèi)套在該零件的內(nèi)腔中，這主要是因?yàn)檫@個零件的內(nèi)徑為189.038+/-0.023mm， 已經(jīng)無法通過焊接方式再繼續(xù)加工來達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。由于短軸類零件屬于發(fā)動機(jī)中的敏感類零件，各制造商在該零件的研制及加工過程中，通過對電子束焊工藝和磨削工藝過程的研究，實(shí)現(xiàn)對該類零件的國產(chǎn)化，為今后國內(nèi)同類零件的加工提供一個可行性的方法。

該零件屬于軸類薄壁旋轉(zhuǎn)零件，形狀復(fù)雜，加工過程中容易發(fā)生變形。

磨削加工過程中，磨床的相關(guān)機(jī)構(gòu)控制著砂輪按照設(shè)定的運(yùn)轉(zhuǎn)方式和零件接觸，從而切除零件的相應(yīng)部分的材料，形成被磨表面。圖紙所要求的如下技術(shù)指標(biāo)：

（1）中壓渦輪焊接短軸軸承環(huán)表面尺寸公差小于0.015mm。

（2）中壓渦輪焊接短軸軸承環(huán)圓度要求0.005mm。

（3）中壓渦輪焊接短軸軸承環(huán)垂直度相對水平基準(zhǔn)小于0.005mm。

（4）中壓渦輪焊接短軸靠近軸承環(huán)端的封嚴(yán)齒齒尖距0.366mm。

（5）法蘭端的封嚴(yán)齒齒尖距0.2mm。

對以上易超差的特征尺寸，進(jìn)行以下改進(jìn)。

1 在線測量對零件的直徑跟蹤測量的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的磨削加工領(lǐng)域，對精密加工零件的尺寸和形狀誤差大部分還采用靜態(tài)測量的方法。靜態(tài)測量是在加工完成之后進(jìn)行的，所以只能反映加工后的幾何參數(shù)，很難反映加工過程中的參數(shù)變化，磨削加工一般是由工人根據(jù)進(jìn)給量憑經(jīng)驗(yàn)判斷，然后停機(jī)離線檢測，如果沒達(dá)到圖紙要求，還得再次裝夾，繼續(xù)加工，這樣也使得零件的超差率明顯增高，而且效率低下。而在線測量系統(tǒng)的使用就可以通過測控系統(tǒng)來控制機(jī)床，從而實(shí)現(xiàn)減少人為的誤差、提高產(chǎn)品一次合格率，提高了產(chǎn)品的精度，節(jié)省了時間。

本工序零件余量最大處0.05mm，軸承環(huán)部分的圓度要求是0.005mm。在加工過程中通過一個傳感器對零件表面的徑跳進(jìn)行在線檢測，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式長度測量儀上，通過測量儀上指針的變化，從而來監(jiān)測零件加工的情況。而且用溫度補(bǔ)償儀對直徑測量尺寸進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)驗(yàn)值是溫度每增加或減少1℃，直徑補(bǔ)償值是增加或減少0.002mm。但是不能超出零件的加工溫度20℃+/-2℃。

在使用在線測量對零件的直徑跟蹤測量時，為達(dá)到提高零件表面粗糙度和生產(chǎn)效率的目的，在合理選擇磨削速度、進(jìn)給速度、切削深度、寬度和刀具類型等方面是至關(guān)重要的。工藝系統(tǒng)剛性弱是導(dǎo)致零件表面完整性好壞的主要原因，不能單純地考慮機(jī)床的剛性，必須同時考慮零件、夾具以及刀具的剛性等因素。任何環(huán)節(jié)的剛性不足都會大大地降低砂輪的磨削性能和使用效率。本零件加工時使用的SCHAUDT公司生產(chǎn)的FlexGrind M1000S型萬能外圓磨床具有良好的剛性、足夠的功率，同時配以在線測量設(shè)備，同時采用外購芯軸對加工區(qū)域增加內(nèi)部輔助支撐，這樣極大地減小了加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致零件的變形。

2 避免壓緊力過大導(dǎo)致零件變形

磨加工軸承環(huán)時，采用的夾具是芯軸和壓蓋，將芯軸穿在零件當(dāng)中，兩端使用壓蓋對零件進(jìn)行定位和壓緊，由于零件壁厚較薄，在壓緊時力量過大，零件變形，雖然零件端面的平面度在0.005以內(nèi)，壓蓋端面的平面度也在0.005范圍以內(nèi)，兩者接觸面的公差已經(jīng)很小，但因?yàn)檎`差的存在，壓緊力仍然是不均勻的，由于壓蓋和夾具之間接觸面的力不同，零件會隨彎就彎的發(fā)生變形。這種現(xiàn)象在裝夾時是可以明顯觀察到的，零件在找正時能達(dá)到0.01的圓周跳動，一旦壓緊壓蓋了，軸承環(huán)的圓周跳動立即發(fā)生很大的變化，甚至?xí)_(dá)到0.09mm，說明零件在壓緊過程中已經(jīng)發(fā)生變形，在這種情況下磨加工，從機(jī)床的在線測量和打表測量來看，軸承環(huán)的圓度很好，當(dāng)加工完成后，松開壓蓋，壓緊力消失，零件恢復(fù)自由狀態(tài)下的形狀，圓度超差。所以在加工軸承環(huán)時，裝夾的壓緊力不能過大，使用限力扳手壓緊，同時使用千分表觀察零件的形狀變化。在磨加工過程中也會出現(xiàn)因壓緊力不足導(dǎo)致零件跑偏，操作者只要認(rèn)真觀察壓在軸承環(huán)上的千分表的變化，當(dāng)出現(xiàn)跑偏時只要立即停止加工，重新找正壓緊加工即可，因?yàn)槟ゼ庸r砂輪的進(jìn)給速度很小，并不會影響零件的質(zhì)量。

3 機(jī)床兩頂尖的保養(yǎng)

裝夾零件的芯軸是通過機(jī)床上的兩個頂尖和機(jī)床連接的，機(jī)床在最初裝機(jī)調(diào)試的時候，是由磨床的廠家?guī)淼男?yàn)棒來進(jìn)行校驗(yàn)的，若兩頂尖不同心，那么就會造成零件裝夾后就是找正也是歪著的，所以要對機(jī)床的頂尖是否同心進(jìn)行定期的校驗(yàn)。同時在日常加工前要檢查頂尖的表面粗糙度是否符合要求，并檢查頂尖和芯軸頂尖孔干凈無雜質(zhì)，使用專用的潤滑油填滿頂尖孔，確保在加工過程中足夠潤滑，加工零件前單獨(dú)將芯軸安裝在磨床上，打表檢查定位面有無異常跳動。

4 保持金鋼筆的鋒利

在磨加工過程中需要反復(fù)使用金鋼筆修正砂輪，金鋼筆是否鋒利，將直接影響砂輪表面的質(zhì)量，而砂輪表面的質(zhì)量將直接影響零件質(zhì)量，所以每次加工前操作者需要檢查金鋼筆刀刃的情況，發(fā)現(xiàn)磨損立即更換，目前規(guī)定每磨加工8個零件，需更換金鋼筆，以保證砂輪的表面質(zhì)量。

5 環(huán)境因素

短軸屬于關(guān)鍵件，為防止表面腐蝕，對加工環(huán)境的要求也很高，通常溫度為20±2℃，溫度的變化會使零件發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，若溫度過高，在加工過程中軸承環(huán)直徑極易磨小，因而報廢。所以要觀察現(xiàn)場的實(shí)際溫度。在磨床剛剛開機(jī)時不要立即加工零件，因?yàn)闄C(jī)床本身的各個部件還沒有預(yù)熱，精度會有所下降，同時砂輪必須時刻旋轉(zhuǎn)，若不旋轉(zhuǎn)，冷卻液會一直沖刷砂輪的一側(cè)，時間長了，砂輪被沖刷的一端的重量會比另一端大，砂輪平衡較差，在加工過程中砂輪會產(chǎn)生較大的振動，軸承環(huán)的表面會出現(xiàn)波紋，零件會被拒收。

通過以上的改進(jìn)，零件合格率達(dá)到90%以上，滿足了圖紙的要求。

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