一種燃?xì)鉁u輪軸承座電極制造技術(shù)研究

覃事鵬 謝強(qiáng) 邱述龍

摘要：本文介紹了一種燃?xì)鉁u輪軸承座電極的制造工藝，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵尺寸的深入分析與研究，從電極的焊接控制、矩形槽的加工、內(nèi)外圓的磨削、電極的檢測(cè)及電極的存儲(chǔ)控制五個(gè)方面詳細(xì)闡述了燃?xì)鉁u輪軸承座電極的加工方法，以期為后續(xù)類似電極的加工制造提供可靠的借鑒。

Abstract： This paper introduces a manufacturing process of gas turbine bearing pedestal electrode.Through in-depth analysis and Research on its structure and key dimensions，the machining method of gas turbine pedestal electrode is described in detail from five aspects：electrode welding control，rectangular groove machining，inner and outer circle grinding，electrode detection and electrode storage control， in order to provide a reliable reference for the processing and manufacturing of similar electrodes.

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪軸承座;電極;焊接;檢驗(yàn)

Key words： gas turbine bearing pedestal;electrode;welding;inspection

中圖分類號(hào)：U463.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0103-03

0? 引言

燃?xì)鉁u輪軸承座是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件之一，整體材料為鑄造高溫合金，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，其內(nèi)型腔中的異型槽加工是其制作難點(diǎn)之一。該異型槽的槽子寬度在2.4mm，深度達(dá)30mm，尺寸公差需控制在0.05mm以內(nèi)，在軸承座中呈三處均布，三個(gè)槽子位置度要求控制在Φ0.05以內(nèi)。常用的冷加工技術(shù)手段很難保證其相關(guān)尺寸合格，目前業(yè)內(nèi)普遍采用電火花技術(shù)進(jìn)行加工。電火花加工技術(shù)的難點(diǎn)其一是電火花加工參數(shù)的控制，其二是電極加工質(zhì)量的控制。如何制造出合格的電極是保證燃?xì)鉁u輪軸承座加工質(zhì)量的前提，本文介紹一種圓環(huán)形并帶有三處矩形槽的電極加工技術(shù)研究。

1? 電極制造的難點(diǎn)分析

如圖1所示，該航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承座電極為45號(hào)鋼與紫銅焊接件，其型面呈圓環(huán)形并帶有三處矩形槽，電極有效工作部分壁厚最薄處僅2.1mm，而其高度達(dá)30mm，尺寸公差要求在±0.03mm以內(nèi)，三處矩形槽的位置度要求控制在Φ0.05以內(nèi)。在電極的生產(chǎn)制造過(guò)程中受焊接、加工應(yīng)力等多種因素的影響極易產(chǎn)生形變，尺寸公差及位置度很難控制。特別是電極工作部分紫銅厚度薄、材料軟，在制造、轉(zhuǎn)工過(guò)程很容易造成電極變形、劃傷、碰傷，且三段不完整的圓弧形輪廓測(cè)量困難等一系列問(wèn)題是造成燃?xì)鉁u輪軸承座電極制造難度的重點(diǎn)原因。

2? 電極的加工過(guò)程控制

2.1 電極的加工工藝路線分析

如圖2所示，該燃?xì)鉁u輪軸承座電極的工作部位相較于其他部位處壁厚薄，壁厚分布不均勻，同時(shí)在壁厚相對(duì)較薄的區(qū)域開(kāi)有三處相對(duì)較深呈均布形態(tài)的矩形槽，此處由45鋼鋼制本體與紫銅焊接而成。在加工過(guò)程中，首先應(yīng)對(duì)鋼體部分及紫銅部分分別進(jìn)行粗車去除余量，并在鋼制部分與紫銅部分兩者相結(jié)合處做焊接倒角;在焊接時(shí)應(yīng)充分考慮到焊接變形的影響，制作二級(jí)工具進(jìn)行上下兩部分定心，同時(shí)采取時(shí)效處理的方式消除焊接完成后電極內(nèi)部釋放的焊接應(yīng)力;焊接件時(shí)效處理完成后進(jìn)行精車及數(shù)控銑加工三處矩形槽，加工三處矩形槽時(shí)，要采取措施降低切削力，避免造成矩形槽槽口形變;最終在最后一道機(jī)加工序磨削時(shí)，應(yīng)注意裝夾方式對(duì)加工造成的影響，同時(shí)應(yīng)充分考慮砂輪與紫銅之間磨削時(shí)易發(fā)生粘結(jié)，造成砂輪表面堵塞的情況。

電極的加工工藝路線主要分為以下幾道工序：

粗車—熱處理—焊接—人工時(shí)效—精車—數(shù)控銑—電火花—立磨—鉗工—檢驗(yàn)

其中關(guān)鍵工序主要集中在焊接、數(shù)控銑、電火花加工、立磨、檢驗(yàn)、轉(zhuǎn)工等6個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2 電極的焊接變形控制

燃?xì)鉁u輪軸承座電極在焊接完成后由于焊縫之間集中了大量的焊接應(yīng)力，隨著時(shí)間的推移，其內(nèi)部的焊接應(yīng)力會(huì)不斷釋放，電極發(fā)生形變導(dǎo)致加工余量不足，容易導(dǎo)致成批產(chǎn)品報(bào)廢。針對(duì)電極焊接變形后無(wú)加工余量問(wèn)題主要采取了以下兩方面措施：

一是設(shè)計(jì)了專用焊接夾具來(lái)保證電極鋼制件與紫銅部件兩者同心;如圖3所示，電極主要由鋼體（黑色部分）與紫銅環(huán)（黃色部分）兩部分組成，焊接過(guò)程中由于焊接應(yīng)力的不斷釋放，會(huì)導(dǎo)致鋼體部分及紫銅部分不同心，焊接完成后導(dǎo)致后序工序無(wú)余量加工，故設(shè)計(jì)了二級(jí)工具芯棒（綠色部分），用來(lái)確保鋼體部分與紫銅部分定心后再進(jìn)行焊接。同時(shí)在焊接工序進(jìn)行前，應(yīng)對(duì)鋼體與紫銅相互接觸的坡口處加工焊接倒角，確保兩者之間焊接牢固。

二是為了徹底的消除焊接完成后電極內(nèi)部的焊接應(yīng)力，一般在焊接完成后進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效處理分為人工時(shí)效與自然時(shí)效兩種處理方式，均是為了能夠消除機(jī)械加工、熱處理后與焊接后工件內(nèi)部產(chǎn)生或者遺留的殘余應(yīng)力。自然時(shí)效需要在自然環(huán)境條件下隨著時(shí)間的推移釋放應(yīng)力，周期長(zhǎng)不適用于工廠內(nèi)部的產(chǎn)品生產(chǎn)。而人工時(shí)效是一種通過(guò)人為控制的方法，通過(guò)一定的技術(shù)手段對(duì)工件進(jìn)行加熱或者深冷處理來(lái)消除工件內(nèi)部殘余的應(yīng)力。由于深冷處理相對(duì)于人工加熱的成本較高，在對(duì)電極進(jìn)行人工時(shí)效處理時(shí)選取加熱方式來(lái)進(jìn)行應(yīng)力釋放。在電極焊接完成后，焊接夾具隨被焊電極一同進(jìn)入電爐中人工時(shí)效處理（如圖4），時(shí)效溫度控制在400℃，保溫時(shí)長(zhǎng)為4h。

2.3 矩形槽的加工控制

電極在加工其內(nèi)外圓表面三處矩形槽時(shí)，一是由于銑削過(guò)程中銑削產(chǎn)生的切削力大，造成矩形槽開(kāi)口處敞開(kāi)變形;二是因?yàn)殡姌O由本體與紫銅兩部分焊接而成，本體材質(zhì)為45鋼，熱處理后硬度為HRC35～40，相較紫銅硬度高，在銑削二者結(jié)合處時(shí)由于材質(zhì)不同，刀具在銑削過(guò)程中容易出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，對(duì)于矩形槽槽口尺寸精度影響較大。三處矩形槽主要用于避讓開(kāi)被加工零件非加工出，因而電極矩形槽開(kāi)口尺寸必須要進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸控制。

根據(jù)以往加工類似零件的經(jīng)驗(yàn)，首先通過(guò)數(shù)控銑對(duì)該矩形槽進(jìn)行粗銑，單邊留0.5mm的余量;其次再利用電火花機(jī)床電加工時(shí)切削力小的特點(diǎn)，通過(guò)制造專用電極放電將電極矩形槽尺寸加工到位，電火花加工時(shí)應(yīng)將電極豎直擺放加工，即專用電極從燃?xì)鉁u輪軸承座電極的徑向方向加工（如圖6所示），避免了從軸向方向加工時(shí)加工時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，縮短了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

2.4 電極內(nèi)外圓的磨削控制

針對(duì)電極型面內(nèi)外圓在磨削過(guò)程中產(chǎn)生變形問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析，主要由三個(gè)方面的原因造成：一是在磨削加工過(guò)程中由于內(nèi)外圓型面不是整圓，電極被加工處壁厚薄，受切削力及磨削熱的影響造成磨削過(guò)程中的變形;二是受裝夾方式的影響，電極易裝夾變形，加工完成后發(fā)生回彈;三是砂輪在磨削過(guò)程中極易與銅屑發(fā)生粘結(jié)，磨削產(chǎn)生的銅屑嵌入砂輪砂粒中，堵塞砂輪，磨削效率低。經(jīng)過(guò)分析采取以下三種手段：

①裝卡方式采用磁盤(pán)吸緊的方式（如圖7），避免三爪卡盤(pán)的裝卡帶來(lái)的回彈變形;

②采用的是單晶剛砂輪，因其砂粒細(xì)膩，不僅使電極磨削力減小，而且被加工出來(lái)工件表面粗糙度好;

③增加冷卻液，在磨削過(guò)程中，砂輪與被加工件之間由摩擦產(chǎn)生的銅屑極易嵌入砂輪砂粒中，堵塞砂輪。通過(guò)添加冷卻液不僅將粘在砂輪中的銅粉沖走，起到了沖洗的效果;同時(shí)降低了砂輪的溫度，帶走了大部分切削熱量。

2.5 電極的檢驗(yàn)

電極的內(nèi)外圓上的矩形槽呈三處均布不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用常規(guī)手段檢測(cè)很難找到電極的最高點(diǎn)，做不到全型面檢測(cè)，容易造成漏檢與錯(cuò)檢;同時(shí)由于電極內(nèi)外圓之間的壁厚薄，在用卡尺測(cè)量矩形槽尺寸時(shí)，卡尺卡腳會(huì)對(duì)矩形槽兩側(cè)有一定的擠壓，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確同時(shí)相對(duì)不穩(wěn)定，對(duì)操作者的水平相對(duì)較高。為提高電極的檢驗(yàn)質(zhì)量和效率，改變傳統(tǒng)測(cè)量方式，利用三坐標(biāo)掃描電極型面內(nèi)外圓及槽的輪廓（如圖8），將得到的型面輪廓數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行比對(duì)來(lái)判定其尺寸是否合格，這樣有效的杜絕了檢驗(yàn)過(guò)程中的錯(cuò)檢、漏檢的漏洞，消除了相關(guān)質(zhì)量隱患，還能提高檢測(cè)效率。

2.6 電極的運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程控制

由于電極的壁厚較薄，在零件周轉(zhuǎn)過(guò)程中極其容易發(fā)生磕碰，所以電極在轉(zhuǎn)工過(guò)程中應(yīng)輕拿輕放，放入專用的電極轉(zhuǎn)工箱中（如圖9所示）來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn);特別是三坐標(biāo)檢驗(yàn)完成后，表面應(yīng)均勻涂抹防銹油，并放入木盒中實(shí)施定置管理，并貼好相應(yīng)的標(biāo)簽。這樣在轉(zhuǎn)工、運(yùn)輸及儲(chǔ)存過(guò)程取拿方便，而且有效避免了電極表面遭到劃傷、碰撞、塌邊等磨損情況發(fā)生，確保電極在運(yùn)輸及儲(chǔ)存的過(guò)程中質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定。

3? 結(jié)論

本文針對(duì)一種燃?xì)鉁u輪軸承座電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其相關(guān)尺寸要求，從電極的焊接技術(shù)、矩形槽的加工技術(shù)、型面內(nèi)外圓的磨削技術(shù)、電極的檢測(cè)及運(yùn)輸存儲(chǔ)五個(gè)方面開(kāi)展制造工藝技術(shù)研究。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際加工情況，詳細(xì)分析和闡述了燃?xì)鉁u輪軸承座電極的加工制造工藝方法及運(yùn)輸難點(diǎn)，在解決該電極制造難題的同時(shí)，有效提高了電極的生產(chǎn)效率。同時(shí)，也為類似零件的加工制造、檢測(cè)及運(yùn)輸提供了借鑒方案和經(jīng)驗(yàn)。

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