GH4169低壓渦輪軸深孔鉆削試驗(yàn)研究

馮亞洲，丁云飛，劉雁蜀，黃帥澎

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力源泉，其機(jī)械加工的復(fù)雜性及難加工性是機(jī)械工業(yè)的一大難點(diǎn)[1]。低壓渦輪軸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的重要零部件之一，其加工質(zhì)量直接影響飛機(jī)飛行的安全性[2]。低壓渦輪軸材料主要為GH4169鎳基高溫合金，其加工工藝性較差，屬于典型的難加工材料，GH4169鎳基高溫合金材料主要存在切削溫度高、切削力大、加工硬化傾向大、刀具磨損快和鉆削排屑困難等難點(diǎn)[3]。低壓渦輪軸的深孔加工是航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的核心制造技術(shù)，雖然我國引進(jìn)了先進(jìn)加工設(shè)備，但加工技術(shù)還不成熟，因此有必要對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究[4]。

目前，為了研究鉆削過程中鉆削力的變化規(guī)律，董坤陽等[5]使用有限元軟件對(duì)GH4169高溫合金進(jìn)行鉆削仿真研究，使用單一變量法分析得出鉆削力受進(jìn)給量和鉆削速度的影響規(guī)律。孫士雷等[6]對(duì)GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行了表面加工硬化正交試驗(yàn)研究，研究表明，銑削速度和切削深度對(duì)GH4169高溫合金表面加工硬化的影響較大。仵珍稷等[7]通過對(duì)GH4169高溫合金進(jìn)行鉆削力試驗(yàn)研究得出，鉆削軸向力隨刀具轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨進(jìn)給量和直徑的增加而增大。王奔等[8]進(jìn)行了GH4169高溫合金切削試驗(yàn)，對(duì)不同切削距離下的加工表面粗糙度進(jìn)行研究得出，在切削距離為75m時(shí)，表面粗糙度最優(yōu)。為了提高低壓渦輪軸的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，李建[9]針對(duì)低壓渦輪軸加工工藝進(jìn)行了研究，使用車銑復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，改進(jìn)了加工工藝路線。

上述對(duì)GH4169鎳基高溫合金的研究主要集中在車削、鉆削和銑削方面，對(duì)GH4169高溫合金的深孔鉆削加工研究較少。因此，本文以某型號(hào)低壓渦輪軸為研究對(duì)象，制定合理的加工工藝流程，采用正交試驗(yàn)法對(duì)該內(nèi)孔規(guī)格低壓渦輪軸進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，研究和分析得出合理的鉆削工藝參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)該類型低壓渦輪軸的批量生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。

2 低壓渦輪軸的深孔加工工藝分析

2.1 低壓渦輪軸材料特性分析

該型號(hào)低壓渦輪軸材料為GH4169鎳基高溫合金，其材料屬性和化學(xué)成分分別見表1[10]和表2。

表1 鎳基高溫合金GH4169材料屬性

表2 鎳基高溫合金GH4169化學(xué)成分 (%)

2.2 低壓渦輪軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

低壓渦輪軸的截面如圖1所示，工件大端口直徑為φ159.80mm，工件小端口直徑為φ124mm，長度為1590mm。內(nèi)孔由直徑φ85mm、孔深度1290mm和直徑φ66mm、孔深度300mm兩段組成，內(nèi)孔表面粗糙度要求Ra3.2μm，孔直線度要求0.3mm/m。

圖1 低壓渦輪軸外形結(jié)構(gòu)

2.3 工藝路線

通過分析，先加工直徑為φ60mm的通孔，再對(duì)φ85mm和φ66mm兩段孔徑進(jìn)行擴(kuò)孔，低壓渦輪軸深孔加工工藝流程如圖2所示。

圖2 加工工藝流程

由于低壓渦輪軸毛坯外圓存在不完全同心的情況，在深孔加工前需要精車外圓，以保證低壓渦輪軸深孔加工外圓同心。精車外圓及車引導(dǎo)口均在CW6163D車床上完成。因?yàn)樯羁足@削工序是低壓渦輪軸工藝流程中最關(guān)鍵步驟，所以本文只對(duì)深孔鉆削部分進(jìn)行研究。

3 深孔加工

3.1 深孔加工原理及設(shè)備選用

孔深與孔徑之比大于5時(shí)的孔加工為深孔加工。按照加工系統(tǒng)的冷卻和排屑方式可分為深孔外排屑系統(tǒng)、BTA加工系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)、DF系統(tǒng)和SIED系統(tǒng)[11]。其中，BTA是深孔加工內(nèi)排屑加工方式之一，系統(tǒng)穩(wěn)定，刀具拆卸方便且排屑通暢，故選擇BTA加工系統(tǒng)作為本次加工方案。

3.2 深孔加工刀具選擇

BTA深孔鉆主要用于BTA深孔鉆削系統(tǒng)，排屑方式多為內(nèi)排屑，常用的結(jié)構(gòu)形式為單刃和多刃錯(cuò)齒BTA深孔鉆。單刃BTA深孔鉆常采用焊接式結(jié)構(gòu)，適用于加工直徑小于50mm的內(nèi)孔。多刃錯(cuò)齒BTA深孔鉆鉆孔直徑一般在50～180mm，可采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)。本次加工工藝選用直徑為φ60mm多刃錯(cuò)齒機(jī)夾BTA鉆頭，刀體材料為硬質(zhì)合金，刀片采用CBN涂層材料，可轉(zhuǎn)位機(jī)夾錯(cuò)齒BTA鉆頭實(shí)物如圖3所示。

圖3 可轉(zhuǎn)位機(jī)夾錯(cuò)齒BTA鉆頭實(shí)物

3.3 多刃錯(cuò)齒機(jī)夾BTA鉆頭幾何參數(shù)

多刃錯(cuò)齒機(jī)夾BTA鉆頭的幾何參數(shù)如圖4和表3所示。

圖4 多刃錯(cuò)齒BTA深孔鉆幾何參數(shù)

表3 φ60mm多刃錯(cuò)齒BTA深孔鉆幾何參數(shù)

4 深孔鉆削試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)為φ60mm內(nèi)徑低壓渦輪軸深孔鉆削，為了有效研究轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削液流速對(duì)切屑形態(tài)的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)法，通過改變主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f和切削液流量Q這三個(gè)參數(shù)，獲取不同條件下低壓渦輪軸深孔鉆削的工藝數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析明確得出不同加工工藝參數(shù)對(duì)深孔加工質(zhì)量的影響。

試驗(yàn)設(shè)備選用TKG2120深孔鉆鏜床，鉆桿長度為3000mm，使用四爪卡盤裝夾，由于加工GH4169鎳基高溫合金材料時(shí)刀具與加工表面摩擦嚴(yán)重，采用油類切削液的潤滑效果較佳，因此切削液選用69-1乳化液。

根據(jù)GH4169鎳基高溫合金的相關(guān)研究及以往加工經(jīng)驗(yàn)，將因素設(shè)置成不同的水平，其中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量設(shè)置為三水平，切削液流量設(shè)置為二水平，正交因素水平表如表4所示。如果采用正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，需要開展18次試驗(yàn)，相當(dāng)于全因素試驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本和工作量大幅增加。因此，采用混合水平的試驗(yàn)方法來研究主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f以及切削液流量Q三個(gè)參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)的影響，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是只需做6組試驗(yàn)，可以大幅度降低工作量。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表5所示。

表4 正交因素水平

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于正交試驗(yàn)法對(duì)GH4169鎳基高溫合金低壓渦輪軸進(jìn)行BTA深孔鉆削試驗(yàn)。由于BTA鉆頭上三個(gè)刀齒的切削速度不同，產(chǎn)生的切屑形態(tài)也大不相同，中心齒的切削速度最小，產(chǎn)生的切屑多為短屑螺旋形狀；中間齒的切削速度高于中心齒，但低于邊緣齒的切削速度，產(chǎn)生的切屑多為長條螺旋形狀；邊緣齒的切削速度最大，產(chǎn)生的切屑多為長條扭曲變形螺旋形狀。試驗(yàn)獲得的切屑形態(tài)如圖5所示，試驗(yàn)加工情況如表6所示。

(a)n=145r/min，f=0.04mm/r

表6 試驗(yàn)加工情況

試驗(yàn)開始時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速n=145r/min，進(jìn)給量f=0.04mm/r，切削液流量Q=90L/min。此時(shí)產(chǎn)生的切屑形狀如圖5a所示，由于中間齒及邊緣齒的切屑變形嚴(yán)重導(dǎo)致堵屑，鉆削無法進(jìn)行。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=145r/min，進(jìn)給量增加至0.06mm/r，切削液流量增至110L/min時(shí)，機(jī)床產(chǎn)生明顯振動(dòng)，中心齒和中間齒斷屑正常，邊緣齒由于切削速度最大，產(chǎn)生的磨損較多，因此邊緣齒切屑的毛刺明顯較多，切屑形狀如圖5b所示。

主軸轉(zhuǎn)速增加到n=170r/min，進(jìn)給量f=0.05mm/r，切削液流量Q=90L/min時(shí)，機(jī)床鉆削過程中機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，中間齒產(chǎn)生較長螺旋狀切屑，影響排屑，偶爾發(fā)生堵屑現(xiàn)象，切屑形狀如圖5c所示。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=170r/min，進(jìn)給量增加至0.06mm/r，切削液流量為110L/min時(shí)，機(jī)床在鉆削過程中平穩(wěn)無異響，刀具磨損正常，鉆桿也無劇烈振動(dòng)，排屑通順，切屑正常，切屑形狀如圖5d所示。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=195r/min，進(jìn)給量增至0.05mm/r，切削液流量為90L/min時(shí)，由于轉(zhuǎn)速過大，切削液流量較小，致使刀具磨損嚴(yán)重，需要頻繁換刀，產(chǎn)生的切屑形狀與圖5c相同。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=195r/min，進(jìn)給量增至0.06mm/r，切削液流量為110L/min時(shí)，雖然切削液流量增大，但是隨著主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量增加，鉆削時(shí)機(jī)床劇烈抖動(dòng)，發(fā)生堵屑，切屑無法排出，試驗(yàn)停止。

綜上可以看出，合理的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削液流量可以形成較優(yōu)的切屑，保證加工過程順利進(jìn)行。GH4169鎳基高溫合金低壓渦輪軸加工后的實(shí)物如圖6所示，經(jīng)過檢驗(yàn)，尺寸精度、表面粗糙度和直線度均滿足加工要求。

圖6 加工后的低壓渦輪軸內(nèi)孔

5 結(jié)語

本文通過分析材料特點(diǎn)、零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，制定工藝流程，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)GH4169鎳基高溫合金低壓渦輪軸進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，并得出合理的鉆削工藝參數(shù)組合：主軸轉(zhuǎn)速n=170r/min，進(jìn)給量f=0.06mm/r，切削液為69-1乳化液，切削液流量Q=110L/min。