高壓渦輪封嚴(yán)托架銑削加工參數(shù)改進(jìn)及應(yīng)用

黃強(qiáng)

中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 陜西西安 710021

1 序言

高壓渦輪封嚴(yán)托架零件在銑削加工過(guò)程中，零件的材料及結(jié)構(gòu)、銑削刀具的規(guī)格、銑削速度、進(jìn)給量和軸向背吃刀量等對(duì)零件的加工質(zhì)量、加工效率以及加工成本都有很大影響。目前在生產(chǎn)過(guò)程中開展沃斯帕洛伊AMS5707高溫合金材料銑削的試驗(yàn)比較少，缺乏切削參數(shù)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致可以借鑒的切削加工工藝和參數(shù)較少。

2 零件材料及結(jié)構(gòu)特征

2.1 材料分析

高壓渦輪封嚴(yán)托架材料為AMS5707沃斯帕洛伊高溫合金，這種合金在996～1038℃的溫度下，經(jīng)過(guò)固溶和沉淀硬化處理，具有穩(wěn)定的耐蝕和耐熱性能。此外，這種材料還具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，AMS5707高溫合金被廣泛應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天火箭及噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)匣、渦輪盤、盤軸、高壓封嚴(yán)托架和葉片等高溫部件的生產(chǎn)，是美國(guó)GE、加拿大普惠等公司現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的盤件和封嚴(yán)環(huán)等零部件的核心材料。AMS5707材料有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）材料韌性大。高溫強(qiáng)度、高溫硬度，塑性變形大，切削變形大，切屑不易切離，所需切削力較大。

2）材料的粘附性、熔著性強(qiáng)。切屑容易附著在切削刃上，形成積屑瘤。

3）已加工表面冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。這是由于零件表面硬化層的金屬極限強(qiáng)度和屈服點(diǎn)都很高，所以使切削條件變差，加劇了刀片磨損，尤其當(dāng)?shù)毒呷锌诓讳h利或者刀具材料不佳時(shí)，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

4）材料的導(dǎo)熱率較低。切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，使刀具刃口因溫度升高而退火，使刀具失去切削能力。

5）材料粗加工后硬度提高，不利于精加工切削。

2.2 零件結(jié)構(gòu)分析

高壓渦輪封嚴(yán)托架零件為薄壁環(huán)形件，如圖1所示。最大外圓直徑2 1 5.6 7 10-0.254mm，內(nèi)孔直徑166.776+0.508+0mm，厚度13.7670-0.767mm，零件壁厚平均2mm，零件的徑向有5個(gè)徑向槽，徑向槽軸向長(zhǎng)度為（13.08±0.02）mm，寬度3.58mm，槽深8mm，零件毛料為鍛環(huán)件。

圖1 高壓渦輪封嚴(yán)托架結(jié)構(gòu)示意

2.3 銑削加工難點(diǎn)

（1）尺寸精度高 5處徑向槽軸向長(zhǎng)度（13.08±0.02）mm ，軸向尺寸（5.33±0.02）mm,徑向槽側(cè)面轉(zhuǎn)接半徑最大0.63mm。徑向槽采用立銑刀加工，槽底4處轉(zhuǎn)接圓角R（0.5±0.12）mm，位置度要求0.10mm。

（2）刀具剛性差 為了保證側(cè)壁R0.63mm要求，銑削時(shí)考慮使用小直徑銑刀，用刀具側(cè)刃加工R，為了提高切削效率，可使用φ3mm銑刀去除槽內(nèi)余量，再使用φ1mm銑刀進(jìn)行精加工（見圖2）。為滿足槽深要求，刀具伸長(zhǎng)應(yīng)≥8mm，銑刀需選用8倍徑以上刀具。這樣的銑刀剛性差，對(duì)刀具徑向圓跳動(dòng)及制造要求較高。

圖2 粗銑、精銑加工模擬

（3）加工效率低 在銑槽加工時(shí)，由于槽底部到零件中心的尺寸比零件半徑小，5個(gè)徑向槽為半封閉式，大直徑銑刀只能用于粗加工，所以精加工時(shí)必須選用直徑≤1mm的小銑刀。小銑刀加工零件效率低，銑刀磨損快，加工后尺寸不穩(wěn)定。

3 銑削加工參數(shù)試驗(yàn)及改進(jìn)

3.1 主軸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

銑削加工時(shí)選擇fz=0.04mm/z、ap=0.1mm的切削條件，主軸轉(zhuǎn)速n分別為3000r/min、4000r/min、5000r/min、6600r/min和7200r/min時(shí)進(jìn)行銑削，銑削加工參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1，零件的表面粗糙度值及其加工時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。

表1 不同主軸轉(zhuǎn)速情況下銑削加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖3a可以看出，當(dāng)n＜6600r/min時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，零件切削區(qū)產(chǎn)生并聚集大量的熱，但絕大多數(shù)的熱量都被高效切削產(chǎn)生的切屑帶走，傳遞并停留在工件表層的切削熱較少，由于零件在切削區(qū)域產(chǎn)生的塑性變形較小，所以合理地將主軸轉(zhuǎn)速提高，有利于零件表面粗糙度的改善。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到7200r/min時(shí)，切削刀具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高，因而產(chǎn)生大量的摩擦熱量，導(dǎo)致零件溫度急劇升高，銑刀前刀面與切削區(qū)域的溫度差異明顯，造成刀具磨損加快，使零件的表面粗糙度值提高。由圖3b可以看出，銑削加工時(shí)間隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而不斷減少，表明當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高，刀具的切削速度會(huì)隨之提高，如果切削路程相同，所用切削時(shí)間會(huì)更短。

圖3 表面粗糙度值和加工時(shí)間與主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

在實(shí)際加工時(shí)，為了得到更好的表面粗糙度，可以根據(jù)具體設(shè)備額定轉(zhuǎn)速及所加工零件材料的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速。合理地提高主軸轉(zhuǎn)速，有利于縮短工件切削時(shí)間。

3.2 銑刀進(jìn)給量試驗(yàn)

在n=6600r/min、ap=0.1mm的切削條件下，銑刀進(jìn)給量fz分別為0.005mm/z、0.01mm/z、0.02mm/z、0.03mm/z和0.04mm/z時(shí)的銑削加工參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表2，零件的表面粗糙度值及其加工時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

表2 不同進(jìn)給量情況下銑削加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖4a可知，將進(jìn)給量fz逐步提高，零件的表面粗糙度值Ra也逐漸提高。因此，調(diào)整進(jìn)給量將直接影響加工后的零件表面粗糙度值，尤其是當(dāng)進(jìn)給量由0.02mm/z變?yōu)?.04mm/z時(shí)，零件的表面粗糙度值Ra升高很快。如果持續(xù)提高進(jìn)給量，由于切削零件表層區(qū)域高度也逐漸增加，所以表面粗糙度值會(huì)逐漸提高。由于加工零件時(shí)的平均銑削力F與進(jìn)給量fz成正比關(guān)系，隨著進(jìn)給量的提高，銑削力也會(huì)增大，材料的塑性變形慢慢增大，所以加工后零件的表面粗糙度值變大。由圖4b可知，銑削加工時(shí)間隨著進(jìn)給量的提高不斷減少，所以調(diào)整進(jìn)給量將直接影響工件的加工時(shí)間。

圖4 表面粗糙度值和加工時(shí)間與進(jìn)給量的變化規(guī)律

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了獲得較理想的零件表面質(zhì)量，刀具的進(jìn)給量不宜過(guò)高。為了最大程度地節(jié)約走刀時(shí)間，可根據(jù)刀具線速度推薦值，適當(dāng)提高進(jìn)給量。

3.3 刀具軸向背吃刀量試驗(yàn)

在n=6600r/min、fz=0.01mm/z的切削條件下，刀具軸向背吃刀量a p分別為0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm時(shí)的銑削加工參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表3，零件的表面粗糙度值及其加工時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。

表3 不同軸向背吃刀量情況下銑削加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖5a可知，將軸向背吃刀量ap逐步提高，零件的表面粗糙度值Ra變化并不大，加工后零件表面粗糙度值在一個(gè)區(qū)間內(nèi)上下擺動(dòng)。將軸向背吃刀量由0.05mm逐漸提高到0.4mm時(shí)，零件的表面粗糙度值Ra先升高，然后又降低，最后又逐漸升高。軸向背吃刀量的增加使刀具切削時(shí)接觸面增大，切削面積越大，銑削阻力越大，導(dǎo)致零件加工表面的塑性變形越大，加工后零件的表面粗糙度值逐漸升高。由圖5b可知，銑削加工時(shí)間隨著軸向背吃刀量的提高不斷減少，由于軸向背吃刀量對(duì)加工時(shí)間的影響非常大，所以調(diào)整軸向背吃刀量將直接影響工件的加工時(shí)間。

圖5 表面粗糙度值和加工時(shí)間與刀具軸向背吃刀量的變化規(guī)律

實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)?shù)卦龃筝S向背吃刀量，可以使切屑變長(zhǎng)，接觸面積變大，帶走更多的切削熱。但若持續(xù)提高軸向背吃刀量，則會(huì)導(dǎo)致加工切削力增大，影響刀具使用壽命，可能會(huì)引起零件變形。零件加工時(shí)的顫振主要由軸向背吃刀量引起，因此，在滿足圖樣尺寸要求并符合最終設(shè)計(jì)圖樣要求的表面粗糙度的基礎(chǔ)上，選擇合理的軸向背吃刀量，能夠提高零件材料的去除率，提升加工效率。合理的增大軸向背吃刀量，可以縮短加工時(shí)間，但若持續(xù)提高軸向背吃刀量，則會(huì)導(dǎo)致加工切削力增大，刀具容易斷裂，也可能會(huì)引起零件變形，從而影響零件加工質(zhì)量。

綜上所述，高壓渦輪封嚴(yán)托架在銑削加工中，在加工設(shè)備條件具備，滿足圖樣尺寸要求及刀具使用周期的基礎(chǔ)上，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能高、進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)降低、軸向背吃刀量根據(jù)實(shí)際情況選擇，這樣可以使零件的表面粗糙度得到很大改善，并極大程度地縮短零件加工時(shí)間。

3.4 刀具耐用度試驗(yàn)

使用電子萬(wàn)能工具顯微鏡對(duì)刀具端刃及后刀面的磨損帶進(jìn)行拍照，采用電子萬(wàn)能工具顯微鏡自帶的測(cè)量分析軟件對(duì)后刀面磨損VB值進(jìn)行測(cè)量，如圖6a所示。電子萬(wàn)能工具顯微鏡為貴陽(yáng)新天光電科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)JVP300F，如圖6b所示。進(jìn)行刀具磨損測(cè)量時(shí)，選擇刀具切削刃磨損較為勻稱的部分進(jìn)行測(cè)量，分別對(duì)兩處端齒的磨損帶寬度進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 后刀面磨損及電子顯微鏡

刀具磨鈍判定磨損值通常有：后刀面磨損VB=0.3mm，刀具側(cè)刃磨損VB=0.5mm，刀尖磨損VB=0.5mm，溝槽磨損VB=0.5mm。但刀具磨損部位的磨損值達(dá)到其中任何一個(gè)磨損值，均判定刀具磨損失效。

刀具銑削線速度vc分別為42m/min、47m/min、52m/min和56m/min時(shí)，獲得的刀具磨損銑削試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 不同銑削線速度的刀具磨損量

圖7 為刀具后刀面磨損值和各種線速度下的刀具磨損圖，以縱坐標(biāo)VB=0.3mm為磨損參考，則刀面磨損值0.3mm與不同線速度下磨損曲線的交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的刀具加工時(shí)間，就是刀具的抗磨損程度。由圖7可知，線速度vc=42m/min時(shí)刀具加工時(shí)間最長(zhǎng)，其抗磨損程度越好，線速度vc=56m/min時(shí)刀具加工時(shí)間最短，刀具抗磨損程度越差。后刀面磨損量VB=0.3mm時(shí)的刀具壽命見表5。

圖7 各切削速度下刀具磨損曲線

表5 VB=0.3mm時(shí)的刀具壽命

由于AMS5707高溫合金在毛料鍛造過(guò)程中存在部分硬質(zhì)點(diǎn)，所以在銑削加工時(shí)，刀具切削到硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)會(huì)急劇磨損。在銑削過(guò)程中，當(dāng)軸向ap＞0.5mm時(shí)，加工零件銑刀會(huì)發(fā)紅，如果繼續(xù)加工，刀具會(huì)斷裂。因此在零件試切前，必須選擇合理的刀具結(jié)構(gòu)及涂層材料，改進(jìn)加工參數(shù)，減少刀具磨損、斷裂。通過(guò)試驗(yàn)得到滿足刀具最小使用壽命，刀具磨損滿足磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削線速度為52m/min。

3.5 小直徑銑刀銑削參數(shù)試驗(yàn)

高壓渦輪封嚴(yán)托架進(jìn)行銑削時(shí)，粗銑使用φ3mm直柄銑刀，精銑使用φ1mm銑刀（見圖8）。試切試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)給量fz和軸向背吃刀量ap越大，銑削加工時(shí)間t越短。但軸向ap=0.15mm時(shí)，加工后零件表面粗糙度值不能滿足要求，不利于后面精銑加工。其原因是：軸向背吃刀量的增加使刀具切削時(shí)接觸面增大，切削面積越大，銑削阻力越大，導(dǎo)致零件加工表面的塑性變形增大，加工后零件表面粗糙度值逐漸升高。

圖8 粗銑刀及精銑刀

通過(guò)試驗(yàn)得到滿足零件表面粗糙度要求、加工時(shí)間最短的切削加工參數(shù)。φ3mm銑刀的最優(yōu)切削參數(shù)為：n=5500r/min、fz=0.09mm/z、軸向ap=0.10mm。φ1mm銑刀的最優(yōu)切削參數(shù)為：n=6600r/m i n、fz=0.01mm/z、ae=0.3mm、軸向ap=0.10mm。

4 高效銑削加工

4.1 銑削加工時(shí)間

采用高效銑削加工參數(shù)前，使用φ1mm銑刀進(jìn)行銑削加工，加工參數(shù)的選擇使用經(jīng)驗(yàn)值，為保證零件加工合格率，使用的加工參數(shù)較為保守，單個(gè)槽加工時(shí)間為29.5min。

粗銑使用φ3mm銑刀，提高了切削速度，精銑使用φ1mm銑刀，采用高效銑削加工參數(shù)后，加工單個(gè)槽時(shí)間為12.5min。

采用高效銑削加工后節(jié)約的加工時(shí)間η為

式中，t1為常規(guī)銑削加工時(shí)間（min）；t2為高效銑削加工時(shí)間（min）。

4.2 銑削加工成本

加工零件的刀具成本占加工總成本的比重非常高，降低刀具費(fèi)用可有效降低零件的整體加工成本。采用高效銑削，增加了φ3mm粗銑刀，其價(jià)格相比φ1mm銑刀略高，但φ3mm銑刀去除大部分余量，精加工使用較少的φ1mm銑刀即可完成加工，高效銑削加工節(jié)約的加工成本η t為

式中，C1為采用高效銑削加工參數(shù)前的綜合成本（元）；C2為采用高效銑削加工參數(shù)后的綜合成本（元）。

4.3 加工合格率

在高壓渦輪封嚴(yán)托架零件徑向槽的高效銑削加工過(guò)程中，共計(jì)11個(gè)批次204件零件。其基本尺寸合格率、幾何公差合格率及表面粗糙度合格率均大幅度提高。其中，基本尺寸合格率最低為93%，幾何公差及表面粗糙度合格率均為100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高壓渦輪封嚴(yán)托架徑向槽的銑削加工工藝進(jìn)行了研究，結(jié)合AMS5707沃斯帕洛伊鎳基高溫合金材料的特點(diǎn)，開展了銑削加工參數(shù)改進(jìn)的試驗(yàn)研究。對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、銑刀單齒進(jìn)給量和銑刀軸向背吃刀量加工參數(shù)進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，獲得了適合沃斯帕洛伊鎳基高溫合金材料的高效銑削加工參數(shù)。高效銑削加工參數(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪封嚴(yán)托架徑向槽的高效銑削加工的應(yīng)用，可以有效地減少鎳基高溫合金材料的銑削加工時(shí)間，節(jié)約零件銑削加工成本，提高零件銑削加工質(zhì)量。