航空發(fā)動機盤類零件止口表面質(zhì)量控制技術(shù)研究

馬明陽，周 鑫，趙天楊

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

零件加工表面質(zhì)量是評價是否滿足加工要求的重要指標(biāo)之一，通常情況下采用表面粗糙度、波紋度和形狀誤差等表面形貌指標(biāo)來評價零件的加工表面質(zhì)量。其中，表面粗糙度是定量表征零件加工表面質(zhì)量的一個重要參數(shù)，與零件的表面性能密切相關(guān)。零件表面粗糙度較大時，會使配合的接觸面積減小，造成單位面積承受的壓力增大，零件表面接觸變形增加，導(dǎo)致零件表面磨損加快，最終影響零件的使用性能。此外，零件表面粗糙度過大，一部分表面容易積聚腐蝕性物質(zhì)，造成表面發(fā)生腐蝕；另一部分表面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋等缺陷產(chǎn)生。

隨著新型、高性能航空發(fā)動機推重比的提高，發(fā)動機盤類零件大量采用新結(jié)構(gòu)、新材料與新技術(shù)，零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸精度要求越來越高，加工時易變形。傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)無法滿足盤類零件關(guān)鍵部位的加工要求，止口部位是盤類零件的加工難點之一，隨著表面質(zhì)量要求和工藝控制要求的提高，止口部位的加工難度極大地增加，同時也增大了加工結(jié)果的檢測難度。本文通過調(diào)整走刀軌跡，基于均衡切削載荷余量分布的方式，對盤類零件的止口部位進行工藝方法和工藝參數(shù)優(yōu)化，有效地保證了止口部位的加工質(zhì)量。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

本文以某整體盤軸零件為例，該零件具有輻板壁懸伸長、壁厚薄等結(jié)構(gòu)特點，如圖1所示，該零件共有三處止口結(jié)構(gòu)，止口位置尺寸精度要求高，三處止口尺寸分別為前止口

R

1.75，后止口

R

1.25，內(nèi)止口

R

1。隨著轉(zhuǎn)角半徑

R

尺寸的降低，止口位置的加工和檢測難度顯著上升，其中在內(nèi)止口處表現(xiàn)得尤為明顯。一方面由于刀具懸長的影響，加工過程中容易產(chǎn)生顫振，進而影響加工質(zhì)量；另一方面受限于半封閉內(nèi)腔的影響，檢測時測頭無法達到測試位置，多方面原因制約著零件加工精度的提高和加工質(zhì)量的保證。由于設(shè)計要求的提高，該整體盤軸零件止口部位的表面粗糙度值由Ra1.6提高到Ra0.8，按照傳統(tǒng)的加工方式，機床采用永泉數(shù)控臥車，刀具選擇半徑Ra0.8的35°偏刀片，走刀方式為多次同向進刀，前止口加工表面粗糙度能夠滿足要求，但是加工效率較低，后止口加工無法滿足表面粗糙度指標(biāo)要求，具體加工數(shù)據(jù)及表面粗糙度檢測結(jié)果見表1。

圖1 某整體盤軸零件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 前后止口加工數(shù)據(jù)及表面粗糙度檢測結(jié)果

?

從實際加工結(jié)果發(fā)現(xiàn)，零件加工后，刀具后刀面磨損嚴重，零件表面有明顯的溝痕和振紋，采用傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化方式，僅對轉(zhuǎn)速、進給和切深等三項參數(shù)進行調(diào)試，無法滿足粗糙度的加工要求，隨著止口處半徑的減小，加工難度大幅提升，利用現(xiàn)有方式，存在內(nèi)止口加工后表面粗糙度指標(biāo)無法實現(xiàn)、前止口加工效率低下等問題。止口位置走刀方式示意圖如圖2所示。

圖2 止口位置走刀方式示意圖

3 工藝方案改進

（1）走刀軌跡優(yōu)化

盤類零件止口位置采用多次同向進刀的方式進行切削加工，刀具主切削刃、副切削刃均參與切削，導(dǎo)致刀具磨損嚴重，零件表面存在明顯的振紋和溝痕，因此，應(yīng)盡量保證刀具的主切削刃承擔(dān)主要的切削工作，基于此原則，對止口位置的走刀軌跡進行重新規(guī)劃，采用交替變換進刀方向的方式對走刀軌跡進行重新規(guī)劃，如圖3所示，交替變換進刀方向是指下一刀的切削軌跡與前一刀的切削軌跡的方向相反，直到去除全部的加工余量，完成走刀軌跡規(guī)劃，以保證主切削刃始終參與切削，能夠有效提高切削效率，延長刀具壽命。

圖3 走刀軌跡優(yōu)化

（2）基于均衡切削載荷的加工余量分配

零件切削加工過程中，切削載荷是不斷變化的，加工余量增大時，切削載荷隨之增加。盤類零件止口位置的加工余量通常采用等余量方式分布，在切削加工過程中轉(zhuǎn)角部位由于余量較大，導(dǎo)致切削加工過程中切削載荷增加，使零件加工過程中切削載荷分布不均勻，加工過程出現(xiàn)振動，影響零件表面加工質(zhì)量?；诰馇邢鬏d荷進行加工余量分配，是指根據(jù)零件加工過程中切削載荷的分布情況，對加工余量進行分配，遵循切削載荷較小時增加加工余量、切削載荷較大時減少加工的原則。借助物理仿真分析技術(shù)對加工過程中的切削載荷分布情況進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對不同部位的加工余量進行重新分配，堅持“該多則多、該少則少”的原則，以保持零件過渡部位在加工中切削載荷的均衡，確保振動源頻譜趨于平緩，從而達到提高零件表面質(zhì)量、抑振的目的。

針對該整體盤軸零件，對止口位置加工余量進行調(diào)整，如圖4所示，將原有的軸向和徑向原有的等比例余量分布調(diào)整為徑向和軸向余量比為3：1分布，應(yīng)用物理仿真PM軟件對兩種余量分布狀態(tài)的切削載荷進行仿真分析，仿真分析結(jié)果如圖5所示。通過仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非等余量分布所產(chǎn)生的切削力要小于等余量分布，同時，非等余量分布所需要的切削時間也較等余量分布所需要的切削時間短，由此證明，適合零件結(jié)構(gòu)的非等余量分布能夠保證加工過程穩(wěn)定，有效提高零件的加工質(zhì)量，縮短加工時間。

圖4 余量分布示意圖

圖5 切削載荷分布情況

（3）基于理論計算確定加工參數(shù)

合理的加工參數(shù)是保證零件加工質(zhì)量和加工效率的重要因素，其中進給量對零件表面粗糙度指標(biāo)的影響較大，加工現(xiàn)場經(jīng)驗已經(jīng)表明，傳統(tǒng)公式中在進給量與表面粗糙度關(guān)聯(lián)關(guān)系的預(yù)測準(zhǔn)確性不高，無法根據(jù)表面粗糙度指標(biāo)要求計算出合理的進給量，本文通過對圓弧刃刀具切削時理論粗糙度計算公式的改進，得出加工過程中加工區(qū)域轉(zhuǎn)角半徑

R

、刀具圓角

r

、進給量

f

對粗糙的影響關(guān)系，如圖6所示，實現(xiàn)理論計算數(shù)據(jù)替代經(jīng)驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變。改進后的公式如下

圖6 表面粗糙度計算示意圖

4 應(yīng)用驗證

根據(jù)工藝改進方案，以該整體盤軸零件前止口加工為例進行加工驗證。走刀軌跡采用交替變換進刀方式進行規(guī)劃，按照均衡切削載荷的原則對刀具主切削刃和服切削刃的切削深度進行重新設(shè)置，重新規(guī)劃加工參數(shù)后，各參數(shù)具體數(shù)值見表2。完成零件加工后，應(yīng)用Taylor檢測儀對前止口位置的表面粗糙度豎直進行檢測，檢測結(jié)果見表3，該止口位置的表面粗糙度檢測值滿足Ra0.8的設(shè)計要求。對比優(yōu)化前后的零件加工狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)前止口部位表面光潔度較高，表面檢測結(jié)果一致性良好，刀具磨損情況有較大改善，加工效率明顯提高，由原來的120 min縮減到70 min。該技術(shù)已在同類型產(chǎn)品中實現(xiàn)了推廣應(yīng)用。止口位置表面粗糙度檢測結(jié)果如圖7所示。

表2 前止口加工參數(shù)優(yōu)化

?

表3 檢測結(jié)果統(tǒng)計

?

圖7 止口位置表面粗糙度檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

整體盤軸零件止口部位是加工難點之一，隨著止口位置工藝控制要求的提高，增加了零件的加工難度，通過調(diào)整走刀軌跡，基于均衡切削載荷余量分布的方式進行工藝方法優(yōu)化、工藝參數(shù)優(yōu)化，能夠顯著提高零件的加工質(zhì)量和加工效率。