高壓壓氣機(jī)盤(pán)內(nèi)花鍵加工技術(shù)研究

王開(kāi)封 柴樹(shù)林 喬雷

摘要：隨著我國(guó)大飛機(jī)的項(xiàng)目的啟動(dòng)，帶來(lái)的是大型發(fā)動(dòng)機(jī)的迫切需求，我公司承制了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中大量采用鈦合金材料，其中在高壓壓氣機(jī)多個(gè)級(jí)別中采用了鈦合金盤(pán)結(jié)構(gòu)。高壓壓氣機(jī)盤(pán)的內(nèi)花鍵尺寸精度高、位置度要求嚴(yán)格;材料為鈦合金TC6，具有易收縮變形特點(diǎn)，對(duì)于鈦合金材料易收縮變形特點(diǎn)，科學(xué)制定工藝方法，設(shè)計(jì)制造刀具，以保證壓氣機(jī)盤(pán)內(nèi)花鍵尺寸及位置度精度要求。本文針對(duì)盤(pán)用銑削方式時(shí)內(nèi)花鍵裂紋，如何優(yōu)化工藝，提高抗疲勞強(qiáng)度，較詳細(xì)地介紹了盤(pán)內(nèi)花鍵的拉削工藝，根據(jù)此加工方法加工的零件，完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量和生產(chǎn)效率也大大提高。

Abstract： With the launch of China's large aircraft projects， there is an urgent need for large engines. Our company has undertaken the development of a certain type of engine. The rotor parts of this type of engine compressor are widely used in the design of titanium alloy materials. Among them， titanium alloy disc structures are used in many levels of high-pressure compressors. The internal spline of the high-pressure compressor disc has high dimensional accuracy and strict positional requirements. The material is titanium alloy TC6， which has the characteristics of easy shrinkage and deformation. For the easy shrinkage and deformation of titanium alloy materials， scientifically formulated process methods and design and manufacture tools to ensure the precision requirements of the size and position of the spline in the machine panel. This article aims at the internal spline cracks in the milling method of the disc， how to optimize the process and improve the fatigue strength， and introduces the broaching process of the spline in the disc in detail. The parts processed according to this processing method fully meet the product design requirements and quality. And production efficiency is also greatly improved.

關(guān)鍵詞：立式拉床;整體棒拉刀;內(nèi)花鍵拉削;裂紋;拉削變形

Key words： vertical broaching machine;integral rod broach;internal spline broaching;crack;broaching deformation

0? 引言

某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓氣機(jī)盤(pán)與高壓壓氣機(jī)軸采用矩形內(nèi)花鍵連接，傳遞扭矩大，花鍵根部易出現(xiàn)裂紋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全是極大的隱患。由于內(nèi)花鍵加工精度和技術(shù)要求很高，且材料為鈦合金，加工難度很大。傳統(tǒng)銑削內(nèi)花鍵的加工方式采用立式加工中心配備小型彎頭進(jìn)行加工，具有以下缺點(diǎn)：①盤(pán)在做疲勞試驗(yàn)時(shí)花鍵根部裂紋，未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的要求;②彎頭價(jià)格昂、容易磨損，修復(fù)后加工精度會(huì)降低;③零件加工時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備效率低;④由設(shè)備間隙及分度間隙及加工該鍵槽過(guò)程中刀具“往復(fù)行程”造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性。

由于銑削加工這種低效率的工藝方法已經(jīng)不能滿足批產(chǎn)的裝機(jī)需求，通過(guò)試驗(yàn)了多種工藝加工零件，最終確定采取拉削方式加工矩形內(nèi)花鍵，以達(dá)到解決零件花鍵根部裂紋、提高產(chǎn)品效率、質(zhì)量的目的。新工藝需要解決和突破的關(guān)鍵技術(shù)：①用立式拉床設(shè)備采用整體拉刀一次成型矩形內(nèi)花鍵且不允許有裂紋現(xiàn)象;②通過(guò)優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)由兩把拉刀完成高壓壓氣機(jī)多個(gè)級(jí)盤(pán)矩形內(nèi)花鍵的加工;③通過(guò)合理的方法控制薄壁類(lèi)鈦合金零件在拉削過(guò)程中零件的變形，確保壓氣機(jī)盤(pán)內(nèi)花鍵尺寸及位置度精度合格;④通過(guò)高效的拉削成型加工方式代替了步進(jìn)量小，加工周期長(zhǎng)且加工表面質(zhì)量相對(duì)不夠好的銑削加工方式。

1? 主要技術(shù)內(nèi)容

鑒于國(guó)內(nèi)尚無(wú)如此高精度的盤(pán)內(nèi)花鍵拉削加工工藝，為保證內(nèi)花鍵尺寸和技術(shù)要求，只能專(zhuān)門(mén)針對(duì)內(nèi)花鍵的特殊結(jié)構(gòu)，裝夾采用自動(dòng)定心并輔以防止變形工裝;通過(guò)刀具設(shè)計(jì)、刀具試驗(yàn)、高精度整體棒式拉刀制造技術(shù)，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和加工過(guò)程各項(xiàng)參數(shù);通過(guò)反復(fù)修磨拉刀、摸索拉削速度最終確定一個(gè)最佳參數(shù);以合理的方法控制零件在拉削過(guò)程中的變形量，來(lái)實(shí)現(xiàn)盤(pán)內(nèi)花鍵安全、流暢、穩(wěn)定、高效加工。

1.1 壓氣機(jī)盤(pán)內(nèi)花鍵的結(jié)構(gòu)和技術(shù)現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)材料為鈦合金，零件上內(nèi)花鍵部分為薄壁區(qū)域，且內(nèi)花鍵設(shè)計(jì)精度高、表面光度要求高，如圖1所示。加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的讓刀現(xiàn)象和振刀嚴(yán)重、銑刀刀面崩刃、加工表面粗糙度低等問(wèn)題。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)分析和措施

①刀具精度要求極高，無(wú)相關(guān)專(zhuān)用設(shè)備無(wú)法達(dá)到尺寸要求。

②解決高壓壓氣機(jī)盤(pán)材料難加工的難題（鈦合金TC6），合理設(shè)計(jì)拉刀的齒升量、齒距，以解決各級(jí)盤(pán)內(nèi)花鍵長(zhǎng)度尺寸（拉削長(zhǎng)度）不一致的問(wèn)題。

③解決內(nèi)花鍵拉削加工時(shí)拉削速度、冷卻及設(shè)備間的合理搭配的問(wèn)題。

④解決被加工零件為薄壁類(lèi)零件，需控制加工過(guò)程中的變形問(wèn)題。

⑤解決內(nèi)花鍵鍵槽寬度尺寸公差小、位置度要求嚴(yán)，檢測(cè)困難的技術(shù)難題。

1.3 刀具的設(shè)計(jì)及制造

刀具的設(shè)計(jì)考慮到各級(jí)壓氣機(jī)盤(pán)有效拉削長(zhǎng)度及拉削空刀槽的長(zhǎng)度不一致，最終通過(guò)確定為設(shè)計(jì)兩把拉刀達(dá)到分別滿足多個(gè)級(jí)壓氣機(jī)盤(pán)的拉削。刀具的精磨采用德國(guó)REFORM公司拉刀磨ZSM3000-G（如圖2）制造，該設(shè)備分度精度為3″，對(duì)拉刀的精度檢查為：分度精度為0.005mm。

高壓壓氣機(jī)中有多個(gè)級(jí)的材料為T(mén)C6，此材料具有變形系數(shù)小、切削溫度高、單位面積上的切削力大、刀具易磨損等特點(diǎn)。切削內(nèi)花鍵時(shí)，由于導(dǎo)熱系數(shù)很小，切削時(shí)熱量不易導(dǎo)出，溫度很高;同時(shí)單位面積上的切削力很大，容易造成蹦刃，另外，由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性很好，在切削溫度高且單位面積上的切削力大的狀態(tài)下，很容易粘刀并加速刀具磨損。針對(duì)上面的難點(diǎn)，選用了進(jìn)口S500高速鋼材料;同時(shí)在刀具幾何角度及結(jié)構(gòu)參數(shù)：前角、后角、刃帶后角、寬度、齒升量、齒距、容屑槽、分屑槽的選擇上進(jìn)行了優(yōu)化：故而選取拉刀前角為15°，后角則根據(jù)粗精切削刃選取3°和1.5°不同的角度;刃帶后角根據(jù)粗精切削刃選取60°和50°不同的角度;寬度為0.05和0.2～0.6不等;考慮到鈦合金的切削性較差，選取較小的齒升量，齒升量為0.02、0.015、0.01不等;考慮到刀齒周期性地切入、切出，引起拉削力和拉削速度周期性變化，會(huì)造成零件產(chǎn)生環(huán)形波紋，為避免該類(lèi)問(wèn)題發(fā)生需要增加同時(shí)工作齒數(shù)，所以齒距選取為6.5、8.5、5.5不等距分布，拉刀實(shí)物見(jiàn)圖3。

1.4 針對(duì)零件為薄壁件，在加工過(guò)程中對(duì)零件進(jìn)行變形控制

內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域，最薄壁厚尺寸只有1.5mm，零件在拉削過(guò)程中會(huì)受到拉刀的徑向力作用，同時(shí)拉刀的切削刃與零件之間產(chǎn)生熱量，所以零件會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，待到拉削過(guò)后零件內(nèi)孔會(huì)收縮回彈，導(dǎo)致尺寸超差。

①拉刀尺寸設(shè)計(jì)制造過(guò)程中考慮到零件收縮量，將刀具尺寸按上差加工。

②加工過(guò)程中對(duì)零件和刀具進(jìn)行冷卻，控制局部溫度;采用環(huán)形管均布的方式對(duì)拉刀和零件進(jìn)行全方位的冷卻。

③加工過(guò)程中對(duì)零件進(jìn)行約束，防止零件在加工過(guò)程中受到拉削時(shí)產(chǎn)生的徑向力膨脹變形，為減小零件在拉削過(guò)程中膨脹與收縮專(zhuān)門(mén)增加套箍，箍在零件的外圓（如圖4）。

1.5 針對(duì)拉削加工的自定心原理，設(shè)計(jì)了拉削時(shí)的支撐工裝

支撐工裝如圖5所示，該支撐夾具一端與拉床連接，另一面作為零件的支撐面，支撐工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，因確保了支撐夾具兩面的平行度及外圓與基準(zhǔn)A的垂直度，在加工過(guò)程中只需將零件放在該支撐夾具上進(jìn)行粗找正，然后由拉刀前端的錐形引導(dǎo)部位定心保證零件的同軸度。

2? 結(jié)論

本工藝方法已全部解決和突破了這些關(guān)鍵技術(shù)。首次在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)內(nèi)花鍵的拉削加工技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵加工，保證其設(shè)計(jì)要求，只能專(zhuān)門(mén)針對(duì)內(nèi)花鍵的特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)復(fù)雜成型刀具設(shè)計(jì)、高精度制造技術(shù)，反復(fù)試驗(yàn)、優(yōu)化參數(shù)。并使刀具參數(shù)、刀桿、和設(shè)備之間的完美配合，才能實(shí)現(xiàn)盤(pán)內(nèi)花鍵安全、流暢、高效加工，確?？蒲猩a(chǎn)的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭似玉，滕金芳，羌曉青.葉片加工超差對(duì)高壓壓氣機(jī)性能影響和敏感性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（02）：216-224.

[2]王鑫磊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)篦齒盤(pán)工藝改進(jìn)研究[D].大連理工大學(xué)，2016.

[3]孟震威，時(shí)旭，李萌萌，鄭飛.某新型壓氣機(jī)盤(pán)車(chē)削加工方法淺析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（11）：122.