航空發動機中壓渦輪短軸焊接技術

魏苗苗 李昱翰

摘 要：在中壓渦輪焊接短軸的零件加工中，軸承環和封嚴齒的加工是整個零件加工的難點。軸承環的圓度、封嚴齒的輪廓度和跳動值都極易超差。本文通過對圖紙要求的理解、加工路線的分析，針對關鍵磨削工藝開展了分析與改進，通過實際加工試驗，驗證了改進方案的可行性與有效性。

關鍵詞：焊接短軸零件；軸承環圓度；芯軸；封嚴齒

中圖分類號：V23 文獻標志碼：A

中壓渦輪焊接短軸是某知名發動機公司發動機中的零件，零件由法蘭環、鎳基高溫合金和低碳合金鋼的軸承環組成。該中壓渦輪焊接短軸零件的尺寸特征有289個，法蘭環端面的平面度為0.02mm，作為后續加工中的軸向基準，軸承環外徑為207.0455+/-0.0075mm，內徑為189.038+/-0.023mm，圓度要求0.005mm，垂直度相對水平基準小于0.005mm，加工中易變形，加工難度很大。另外，該零件在加工結束后會通過8個銷子，在有倒角的8個孔中，裝配一個起到封嚴作用的內套在該零件的內腔中，這主要是因為這個零件的內徑為189.038+/-0.023mm， 已經無法通過焊接方式再繼續加工來達到設計的要求。由于短軸類零件屬于發動機中的敏感類零件，各制造商在該零件的研制及加工過程中，通過對電子束焊工藝和磨削工藝過程的研究，實現對該類零件的國產化，為今后國內同類零件的加工提供一個可行性的方法。

該零件屬于軸類薄壁旋轉零件，形狀復雜，加工過程中容易發生變形。

磨削加工過程中，磨床的相關機構控制著砂輪按照設定的運轉方式和零件接觸，從而切除零件的相應部分的材料，形成被磨表面。圖紙所要求的如下技術指標：

（1）中壓渦輪焊接短軸軸承環表面尺寸公差小于0.015mm。

（2）中壓渦輪焊接短軸軸承環圓度要求0.005mm。

（3）中壓渦輪焊接短軸軸承環垂直度相對水平基準小于0.005mm。

（4）中壓渦輪焊接短軸靠近軸承環端的封嚴齒齒尖距0.366mm。

（5）法蘭端的封嚴齒齒尖距0.2mm。

對以上易超差的特征尺寸，進行以下改進。

1 在線測量對零件的直徑跟蹤測量的應用

在傳統的磨削加工領域，對精密加工零件的尺寸和形狀誤差大部分還采用靜態測量的方法。靜態測量是在加工完成之后進行的，所以只能反映加工后的幾何參數，很難反映加工過程中的參數變化，磨削加工一般是由工人根據進給量憑經驗判斷，然后停機離線檢測，如果沒達到圖紙要求，還得再次裝夾，繼續加工，這樣也使得零件的超差率明顯增高，而且效率低下。而在線測量系統的使用就可以通過測控系統來控制機床，從而實現減少人為的誤差、提高產品一次合格率，提高了產品的精度，節省了時間。

本工序零件余量最大處0.05mm，軸承環部分的圓度要求是0.005mm。在加工過程中通過一個傳感器對零件表面的徑跳進行在線檢測，然后將數據傳輸到便攜式長度測量儀上，通過測量儀上指針的變化，從而來監測零件加工的情況。而且用溫度補償儀對直徑測量尺寸進行補償，經驗值是溫度每增加或減少1℃，直徑補償值是增加或減少0.002mm。但是不能超出零件的加工溫度20℃+/-2℃。

在使用在線測量對零件的直徑跟蹤測量時，為達到提高零件表面粗糙度和生產效率的目的，在合理選擇磨削速度、進給速度、切削深度、寬度和刀具類型等方面是至關重要的。工藝系統剛性弱是導致零件表面完整性好壞的主要原因，不能單純地考慮機床的剛性，必須同時考慮零件、夾具以及刀具的剛性等因素。任何環節的剛性不足都會大大地降低砂輪的磨削性能和使用效率。本零件加工時使用的SCHAUDT公司生產的FlexGrind M1000S型萬能外圓磨床具有良好的剛性、足夠的功率，同時配以在線測量設備，同時采用外購芯軸對加工區域增加內部輔助支撐，這樣極大地減小了加工過程中產生的應力而導致零件的變形。

2 避免壓緊力過大導致零件變形

磨加工軸承環時，采用的夾具是芯軸和壓蓋，將芯軸穿在零件當中，兩端使用壓蓋對零件進行定位和壓緊，由于零件壁厚較薄，在壓緊時力量過大，零件變形，雖然零件端面的平面度在0.005以內，壓蓋端面的平面度也在0.005范圍以內，兩者接觸面的公差已經很小，但因為誤差的存在，壓緊力仍然是不均勻的，由于壓蓋和夾具之間接觸面的力不同，零件會隨彎就彎的發生變形。這種現象在裝夾時是可以明顯觀察到的，零件在找正時能達到0.01的圓周跳動，一旦壓緊壓蓋了，軸承環的圓周跳動立即發生很大的變化，甚至會達到0.09mm，說明零件在壓緊過程中已經發生變形，在這種情況下磨加工，從機床的在線測量和打表測量來看，軸承環的圓度很好，當加工完成后，松開壓蓋，壓緊力消失，零件恢復自由狀態下的形狀，圓度超差。所以在加工軸承環時，裝夾的壓緊力不能過大，使用限力扳手壓緊，同時使用千分表觀察零件的形狀變化。在磨加工過程中也會出現因壓緊力不足導致零件跑偏，操作者只要認真觀察壓在軸承環上的千分表的變化，當出現跑偏時只要立即停止加工，重新找正壓緊加工即可，因為磨加工時砂輪的進給速度很小，并不會影響零件的質量。

3 機床兩頂尖的保養

裝夾零件的芯軸是通過機床上的兩個頂尖和機床連接的，機床在最初裝機調試的時候，是由磨床的廠家帶來的效驗棒來進行校驗的，若兩頂尖不同心，那么就會造成零件裝夾后就是找正也是歪著的，所以要對機床的頂尖是否同心進行定期的校驗。同時在日常加工前要檢查頂尖的表面粗糙度是否符合要求，并檢查頂尖和芯軸頂尖孔干凈無雜質，使用專用的潤滑油填滿頂尖孔，確保在加工過程中足夠潤滑，加工零件前單獨將芯軸安裝在磨床上，打表檢查定位面有無異常跳動。

4 保持金鋼筆的鋒利

在磨加工過程中需要反復使用金鋼筆修正砂輪，金鋼筆是否鋒利，將直接影響砂輪表面的質量，而砂輪表面的質量將直接影響零件質量，所以每次加工前操作者需要檢查金鋼筆刀刃的情況，發現磨損立即更換，目前規定每磨加工8個零件，需更換金鋼筆，以保證砂輪的表面質量。

5 環境因素

短軸屬于關鍵件，為防止表面腐蝕，對加工環境的要求也很高，通常溫度為20±2℃，溫度的變化會使零件發生熱脹冷縮現象，若溫度過高，在加工過程中軸承環直徑極易磨小，因而報廢。所以要觀察現場的實際溫度。在磨床剛剛開機時不要立即加工零件，因為機床本身的各個部件還沒有預熱，精度會有所下降，同時砂輪必須時刻旋轉，若不旋轉，冷卻液會一直沖刷砂輪的一側，時間長了，砂輪被沖刷的一端的重量會比另一端大，砂輪平衡較差，在加工過程中砂輪會產生較大的振動，軸承環的表面會出現波紋，零件會被拒收。

通過以上的改進，零件合格率達到90%以上，滿足了圖紙的要求。

參考文獻

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