高壓渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤加工工藝改進(jìn)

秦陽，許萬軍

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司 陜西西安 710021

1 序言

封嚴(yán)盤是發(fā)動機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的關(guān)鍵零件，工作時處于高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，對高溫下的力學(xué)性能具有很高的要求。封嚴(yán)盤材料為高溫鎳基合金，硬度≥39HRC，加工難度很大。

2 零件結(jié)構(gòu)

圖1 所示封嚴(yán)盤形狀復(fù)雜，是我公司承接美國GE公司項目所生產(chǎn)的CFM56-5/-6發(fā)動機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的關(guān)鍵零件。其最大外徑為592.17mm，中空部分最小內(nèi)徑為184.4mm，總高62.88mm，最小壁厚1.52mm，零件腹板前后各有1個定位止口，輻板中央部位有均布的48個異形孔，用于連接高壓渦輪轉(zhuǎn)子前軸和高壓渦輪盤。零件外圓處有3個依次增高的封嚴(yán)篦齒，其下方有1個單獨(dú)的斜形較長的封嚴(yán)篦齒，它們共同組成4層空氣封嚴(yán)。上下兩組封嚴(yán)齒之間有一組均布的72個異形孔供螺栓通過，用于聯(lián)接外封嚴(yán)隔圈。80個異形斜槽均布于零件上端凹槽部位，其作用為葉片保持。其他型面多為各種斜面、錐面和圓弧，導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖1 封嚴(yán)盤

3 零件精度分析

由于封嚴(yán)盤與多個零件組裝，配合尺寸多，因此精度要求很高。封嚴(yán)盤零件幾何尺寸如圖2所示，左右兩個定位止口的直徑公差均為±0.025mm，相當(dāng)于IT7級精度；4個封嚴(yán)齒的外徑在噴涂前的公差均為±0.025mm，相當(dāng)于IT6級精度；定位止口、4個封嚴(yán)齒及輪轂內(nèi)孔對基準(zhǔn)面的跳動要求均為0.025mm；定位輻板左右端面平行度要求0.05mm；52個螺栓孔的位置度要求φ0.1mm；零件定位止口的表面粗糙度值要求Ra=1.6μm，其余面的表面粗糙度值Ra=2.3μm?？梢娫摿慵某叽缇取⑽恢镁群捅砻娲植诙纫蠖己車?yán)，屬于高精度零件。

圖2 封嚴(yán)盤零件幾何尺寸

4 加工工藝

4.1 車削加工工序

零件加工余量如圖3所示，加工余量較大，壁厚由內(nèi)而外逐漸變薄，輻板最薄處為2.41mm，內(nèi)外錐面處的壁厚僅為1.52mm。零件材料切削抗力大，導(dǎo)致深度尺寸和壁厚尺寸極易超差。在編制工藝規(guī)范時，首先考慮如何控制零件翼型結(jié)構(gòu)的變形，確定粗加工、半精加工和精加工3個階段，按階段依次進(jìn)行加工，有利于釋放內(nèi)部應(yīng)力，消除或減少變形對精度的影響。

圖3 零件加工余量示意

4.2 鉆銑加工工序

該零件共有兩組圓周孔，且均為異形孔，在粗鉆孔后，必須進(jìn)行銑削加工，以達(dá)到工藝要求，零件銑削加工部位如圖4所示。內(nèi)外兩圈孔分屬兩個級別，即外圈72個孔為CL-B級，內(nèi)圈孔為CL-C級，GE公司要求CL-C級孔必須控制扭力。兩級異形孔處厚度近20mm，加工難度高，效率低。

圖4 零件銑削加工部位

端面槽底部為圓弧型面，與零件端面成一定角度并與兩側(cè)邊有倒圓，因此所用刀具應(yīng)為成形刀。在加工中為保證零件的型面正確，刀具應(yīng)與底面垂直。由于三坐標(biāo)加工中心不能滿足零件的加工要求，所以至少應(yīng)采用五軸加工中心進(jìn)行精加工。

在確定加工方法后，按工序集中的原則組成兩道鉆銑加工工序，即孔的加工和槽的加工。這樣不僅可以簡化生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，減少設(shè)備數(shù)目、夾具數(shù)目及工件安裝次數(shù)，縮短運(yùn)輸路線，而且有利于保證位置度，充分發(fā)揮數(shù)控加工中心的生產(chǎn)效率。

4.3 工藝流程

編制工藝流程如下：粗車前端→半精車后端→半精車前端及封嚴(yán)齒→車基準(zhǔn)→精車前端→精車后端→孔加工→半精車內(nèi)錐面→銑削加工→精車前端錐面→精車封嚴(yán)齒→噴丸等→精車后端止口→精車前端止口。共12道車削加工，2道鉆銑加工，期間穿插其他輔助工序，如標(biāo)記、鉗工、熒光檢測、噴丸及噴涂等。

5 調(diào)整加工工藝路線

在試制過程中，發(fā)現(xiàn)粗車后端、半精車前端以及精車后端和前端工序后，零件定位圓有0.10～0.17mm的變化（與機(jī)床上測量對比），軸向圓跳動＜0.03mm。經(jīng)過原因分析，做出以下調(diào)整。

1）取消“粗車后端”，將該工序余量合并到“半精車前端及封嚴(yán)齒”工序，一并去除，節(jié)省了粗車保尺寸的工步，合并了半精車去余量工步，免除了一次裝夾工作，使用陶瓷刀加工后，加工時間減半。

2）將半精車內(nèi)錐面、精車后端錐面和精車前端錐面3道工序合并為精車內(nèi)外錐面，將分散在3道工序的余量合并到一起加工，翼型部分和型面部分的壁厚在一道工序保證，可以保證較好的壁厚均勻度，一般變化量≤0.05mm。同時保證葉片保持環(huán)部分的尺寸和形狀特性，加工難度明顯降低。原3道工序分別加工的部位如圖5所示，工序合并后的加工部位如圖6所示。

圖5 原3道工序分別加工的部位

圖6 工序合并后的加工部位

3）在實際銑削加工中，由于一組異形孔較厚，要求刀具具有較高的強(qiáng)度，安裝長度應(yīng)盡量短，但是由于零件結(jié)構(gòu)問題，兩組孔不能在一道工序中一起加工，因此分成兩道精銑孔加工程序。同時考慮各工序加工時間的匹配問題，將較厚異形孔的加工分開，將鉆孔安排在一道工序中進(jìn)行，精銑成形與另一組孔的倒角在一道工序中進(jìn)行。改進(jìn)后的工藝路線為：半精車后端→半精車前端及封嚴(yán)齒→精車前端→精車后端→鉆、擴(kuò)、銑72個孔→精車內(nèi)外錐面→鉆孔和銑凸臺→銑前端孔、倒角→銑80個槽、48個孔倒角→精車封嚴(yán)齒→中檢→熒光檢驗→噴丸→精車前端止口→精車后端止口→噴涂→成品檢驗→疊加投影→入庫。

6 夾具的調(diào)整與合并

在試制加工中發(fā)現(xiàn)，由于選擇了合理的加工參數(shù)和刀具型號，所以零件變形較小，在正常變形范圍以內(nèi)。過定位在加工中作用極小，調(diào)整工藝后將半精車后端、半精車前端及封嚴(yán)齒及精車前端工序夾具合并成一個夾具，夾具通用性強(qiáng)，減少了夾具的種類，易于管理和使用。夾具的調(diào)整如圖7所示。

圖7 夾具的調(diào)整

7 車削加工工藝改進(jìn)

7.1 刀具的改進(jìn)

合并工序后，半精車工序給精車留1mm余量。加工中使用RCGX120700 WG300型陶瓷刀去除大部分余量，采用φ9.52mm的RCGX090700E WG300陶瓷刀片替代原方案所使用的硬質(zhì)合金刀片，加工效率明顯提高，加工時間減少3～4h。

7.2 加工程序的改進(jìn)

為最大限度地利用陶瓷刀具的切削刃，采用雙向往復(fù)的切削方法進(jìn)行加工，進(jìn)給路線如圖8所示。這樣可以充分利用刀片兩側(cè)切削刃，減少局部磨損。

圖8 進(jìn)給路線

8 銑削加工工藝改進(jìn)

高壓渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤零件上有2組異形孔，1組由72個P11TF12-B級異形孔組成，另1組由48個P11TF12-C級異形孔組成。另外，在后端還有1組80個異形斜槽，這些結(jié)構(gòu)需銑削加工完成。銑削部位加工要求如圖9所示。

圖9 銑削部位加工要求

8.1 工藝難點分析

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點以及加工尺寸要求，經(jīng)分析有以下幾個技術(shù)難點。

（1）48個P11TF12-C級異形孔 根據(jù)GE公司要求，C級孔必須采用工藝監(jiān)控方法控制孔的粗、精機(jī)械加工參數(shù)。主要存在兩個問題：①對C級異形孔的加工控制經(jīng)驗嚴(yán)重不足。②該零件為鎳基高溫耐熱合金INCO718，材料黏性大、硬度較高，加工中不易斷屑，導(dǎo)熱性能較差，在切削加工過程中會產(chǎn)生很大的切削抗力和大量的切削熱，刀具磨損嚴(yán)重。

（2）72個P11TF12-B級異形孔 GE公司要求控制B級孔的粗、精機(jī)械加工參數(shù)。主要存在兩個問題：①72個異形孔端面兩側(cè)形狀狹小陡峭，與刀柄干涉，刀具伸長量長。又由于受異形孔形狀圓弧的限制，所以精銑僅允許使用φ6mm銑刀，剛性差，很容易產(chǎn)生讓刀、振刀及刀具斷裂等現(xiàn)象。②零件材料硬，孔數(shù)較多，異形孔狹長，材料去除量大，導(dǎo)致加工成本高、加工效率低。

（3）80個異形斜槽 主要存在兩個問題：①受限于零件設(shè)計圖樣要求，按傳統(tǒng)制造工藝加工，該端面斜槽必須在五坐標(biāo)加工中心上將主軸傾斜10°才能銑削加工。②由于受零件設(shè)計結(jié)構(gòu)影響，80個異形斜槽位于細(xì)長的薄壁面上，剛性極差，銑削時極易產(chǎn)生振動，表面粗糙度和尺寸均難以保證。

8.2 工藝改進(jìn)措施及成效

針對以上技術(shù)難點，采取如下改進(jìn)措施。

（1）48個異形孔的加工 在現(xiàn)有三坐標(biāo)加工中心上加裝扭力監(jiān)控裝置（見圖10），以滿足對P11TF12-C級孔的加工進(jìn)行控制的要求。在夾持刀具的主軸上安裝扭力感應(yīng)器，通過特殊轉(zhuǎn)換裝置，將扭力值轉(zhuǎn)換為電壓值，并傳送到監(jiān)控器中。監(jiān)控器通過數(shù)據(jù)分析并和設(shè)定值對比，來決定繼續(xù)加工監(jiān)控或停止加工報警。對監(jiān)控裝置進(jìn)行多次試驗，證明其電壓值和扭力值的換算關(guān)系滿足要求。

圖10 加裝扭力監(jiān)控裝置

48個異形孔原先的加工工藝為：鉆→粗銑→精銑。使用Y330硬質(zhì)合金鉆頭，加工參數(shù)為每次6mm進(jìn)行啄鉆，轉(zhuǎn)速為600r/min，進(jìn)給量為0.06mm/r。但是由于零件材質(zhì)太硬，鉆頭材料晶粒太細(xì)，所以每鉆12～16個孔就必須換刀。后經(jīng)大量試驗，將鉆頭材質(zhì)改為K35硬質(zhì)合金，將加工參數(shù)優(yōu)化為每次4mm進(jìn)行啄鉆，轉(zhuǎn)速為450r/min，進(jìn)給量為0.06mm/r，可滿足鉆26～30個孔換刀。

另外，經(jīng)過分析和試驗，將鉆孔后的粗銑工藝更改為擴(kuò)孔，每個零件的加工時間至少減少了30min。

同樣，對于精銑，由于受異形孔圓弧R影響，只能使用φ7.4mm銑刀進(jìn)行加工?？咨顬?8mm，轉(zhuǎn)速為400r/min，進(jìn)給量為0.15mm/r，深度方向一次銑削讓刀嚴(yán)重。后經(jīng)大量試驗，將加工參數(shù)優(yōu)化為轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給量為0.10mm/r，深度方向可一次銑削到位，且無讓刀問題。每個零件的加工時間至少減少了45min。

48個異形孔屬于C級孔，在實際加工過程中常產(chǎn)生積屑瘤，嚴(yán)重影響零件質(zhì)量。積屑瘤一般是由于材料粘連造成的，是工件材料受壓后焊在了切削刃上。當(dāng)材料有化學(xué)親和性，壓力和溫度足夠高時，積屑瘤會發(fā)生在切削區(qū)域。最終積屑瘤會脫落并同時帶走一些刀片材料，導(dǎo)致刀片崩刃和后刀面快速磨損。圖11為異形孔斷面，對于本零件來說，一方面由于異形孔深度較深，排屑不暢，所以使孔壁受到擠壓；另一方面因考慮成本因素，多使用修磨刀具進(jìn)行加工，由于刀具刃口不鋒利，所以異形孔壁表面加工質(zhì)量較差，易產(chǎn)生積屑瘤。

圖11 異形孔斷面

最初考慮從以下幾個方面解決積屑瘤問題：①使用涂層刀具。②提高切削速度或增加進(jìn)給量。③正確使用切削液，增加切削液濃度。④改進(jìn)加工程序。但是考慮到成本因素，使用涂層刀具會增加生產(chǎn)成本，同時該48個孔有C級孔加工要求，因此程序參數(shù)不能更改，只能從改進(jìn)加工程序上考慮改變加工路線。

改進(jìn)前程序采用逆銑加工，如果用修磨刀具進(jìn)行加工，孔壁表面質(zhì)量不好，易產(chǎn)生積屑瘤，而采用新刀具則加工成本較高。分析零件結(jié)構(gòu)和加工特點，選擇采用順銑加工，解決了積屑瘤問題。

通過以上改進(jìn)，提高了異形孔加工質(zhì)量，孔壁表面質(zhì)量大幅提高，沒有積屑瘤產(chǎn)生；且修磨后的舊刀即可完成加工，降低了生產(chǎn)成本，保證了零件質(zhì)量和正常交付。

（2）72個P11TF12-B級異形孔的加工 圖12所示為72個P11TF12-B級異形孔的形狀。加工時，替換掉原來使用的φ6mm、φ8mm整體硬質(zhì)合金銑刀，改為使用某公司的氮鋁化鈦涂層刀具，將加工參數(shù)提高到原來的2倍。換刀點由原來的12孔增加到現(xiàn)在的36孔，通過加長切削刃長，1把刀具可完成72個孔的加工，提高了刀具壽命，降低了綜合成本。

圖12 72個P11TF12-B級異形孔的形狀

改進(jìn)加工方法，加工步驟由原來的粗鉆孔→粗銑型孔輪廓→精銑型孔輪廓，改為粗鉆孔→左右锪孔→粗銑型孔輪廓→精銑型孔輪廓。同時在加工中采用順銑方法，減少抗力，提高表面加工質(zhì)量，雖然增加了加工步驟，但由于使用涂層刀具，故提高了切削參數(shù)，總體時間約8h，減少45%。

考慮到零件異形孔比較深，抗力大，最初使用ER32刀柄，但刀具懸伸量大，剛性不足，讓刀嚴(yán)重。改用ER25規(guī)格的刀柄，刀柄直徑只有28mm，夾持刀具的懸伸量大大減少，減小了刀具的振動，提高了銑削系統(tǒng)（機(jī)床主軸、夾持刀柄及銑削刀具）整體剛性，這也是可以增加刃長的原因之一。

（3）80個異形斜槽的加工 經(jīng)過多次精密計算和現(xiàn)場試驗，最后通過采用普通三坐標(biāo)加工中心加轉(zhuǎn)頭，再利用萬能角度頭的組合，實現(xiàn)了加工端面異形斜槽的功能。圖13所示為彎頭加工。

圖13 彎頭加工

由于80個異形斜槽位于細(xì)長的薄壁面上，因而剛性極差。最開始的夾具支撐為點式支撐（見圖14），改進(jìn)后的夾具支撐為面支撐（見圖15），極大地改善了零件在此處的加工剛性，基本解決了加工振刀問題。

圖14 點式支撐

圖15 面支撐

另外，為了加強(qiáng)剛性，提高零件加工效率，將銑刀總長從80mm減少到50mm，將粗銑從彎頭加工改進(jìn)為三坐標(biāo)主軸加工。三坐標(biāo)主軸粗銑如圖16所示。

圖16 三坐標(biāo)主軸粗銑

通過優(yōu)化加工參數(shù)，既提高了材料去除率，又使該工序的加工時間從16h降低到10h。

9 端面槽加工改進(jìn)

端面槽如圖17所示，在每次加工完成后，都會因R0.11mm和R0.25mm圓弧的加工難度大而造成返工率高。于是研制新的成形刀具，實現(xiàn)凹槽和R0.11mm、R0.25mm圓弧共同加工。新的端面槽成形刀如圖18所示。

圖17 端面槽

圖18 端面槽成形刀

10 結(jié)束語

通過優(yōu)化數(shù)控車削加工程序，大量使用陶瓷刀具對零件進(jìn)行高速的材料去除，提高了加工效率；通過對異形孔端面槽的銑削加工進(jìn)行工藝改進(jìn)，有效提高了加工效率及表面質(zhì)量。

通過對高壓渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤的工藝研究，掌握了高壓渦輪前旋轉(zhuǎn)氣封和葉片保持環(huán)新結(jié)構(gòu)零件的加工技術(shù)，特別是薄壁易變形零件的加工變形控制方法。

專家點評

本例中的封嚴(yán)盤屬于翼型薄壁盤類零件，加工余量較大，壁厚由內(nèi)而外逐漸變薄，如何控制零件變形并提高加工效率是工藝改進(jìn)的重點。作者針對加工中遇到的問題進(jìn)行原因分析并制定相應(yīng)的解決措施，通過簡化車床工序、合并夾具的方法減少切削變形，并按照工序集中、鉆銑組合的原則提高異形孔加工效率，為此類零件的工藝研究積累了經(jīng)驗。

文章內(nèi)容完整，方法實用，具有很好的工藝思路和分析能力，在持續(xù)改進(jìn)過程中有效地將加工難點和實際工況結(jié)合起來，逐個突破，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。