精密錐螺栓孔切削加工工藝研究

何 晉 黃俊華 李 鈺

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子由一至三級盤、渦輪軸等零件組成，各級盤、軸之間的定心與傳扭靠螺栓錐面與盤軸上對應(yīng)的錐形螺栓孔壓緊實現(xiàn)的[1]。錐螺栓孔總深約220，深徑比達(dá)10，其主要工作配合面是兩段非連續(xù)精密錐形深孔，表面質(zhì)量及著色要求非常高，鉆鉸難度大（圖1）。目前通過設(shè)計精密定位夾具與專用錐鉸刀配合加工的技術(shù)方案，專用錐鉸刀設(shè)計上、下引導(dǎo)進(jìn)行定位，本文主要圍繞錐螺栓孔加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的拉鉤、劃傷、著色不合格、刀具壽命不穩(wěn)定等問題，剖析影響錐螺栓孔切削的主要因素并進(jìn)行工藝優(yōu)化試驗研究，提升轉(zhuǎn)子錐螺栓孔的加工質(zhì)量。

圖1 某轉(zhuǎn)子錐螺栓孔加工示圖

1 刀具幾何參數(shù)優(yōu)化

1.1 控制刀具前角和刃寬，防止形成積屑瘤

切削塑性金屬材料時，在切削速度不高且又能形成帶狀切屑的情況下，往往會在切削刃口附近粘結(jié)一塊剖面層三角狀或鼻狀的金屬塊，即積屑瘤。積屑瘤的出現(xiàn)極大地加劇了加工零件表面的粗糙程度[2]。渦輪軸為40CrNiMoA 塑性材料，切削速度越高，鋼材塑性變形越不充分，表面粗糙度值也就越小[3]。加工該部位螺栓孔時切削速度較低，易產(chǎn)生積屑瘤粘結(jié)在切削刃上，導(dǎo)致螺栓孔表面產(chǎn)生拉鉤、劃傷等缺陷，嚴(yán)重影響螺栓孔尺寸精度和表面質(zhì)量。

積屑瘤的形成直接受到切削速度、切削溫度的影響，受限于零件的結(jié)構(gòu)和加工設(shè)備，刀具切削速度不能進(jìn)行較大調(diào)整，由此通過采取增大刀具前角、降低刃帶寬度的方法，保持切削刃鋒利，減小切削力，降低切削溫度，以避免積屑瘤的產(chǎn)生。

1.2 調(diào)整刃帶寬度，提高表明質(zhì)量

鉸刀切削刃刃帶有光整孔的作用，刃帶寬的選擇對刀具的鋒利程度和刀齒強(qiáng)度有直接影響，加工中必須選用適宜刃帶寬度參數(shù)。若刃帶寬度過小，孔壁光整效果不佳，影響表面質(zhì)量，同時小刃寬刀具過于鋒利，加工時磨損速度很快，錐鉸刀前期刃帶寬按工裝圖紙要求小于0.05mm 制造，每把刀具僅加工一至兩孔即磨損失效。若刃帶寬太大(約0.15～0.2mm)時，刀具不鋒利，切削阻力大，加工表面產(chǎn)生圈狀擠壓痕、拉鉤。經(jīng)試驗統(tǒng)計，鉸刀刃帶寬按0.1mm 左右制造，切削效果最佳，可以保證相對良好的表面質(zhì)量。

1.3 調(diào)整前角，控制鐵屑形狀

刀具前角與鋒利程度成正比，前期為了避免積屑瘤的產(chǎn)生，進(jìn)行了加大刀具前角(約3°～5°)設(shè)計，刀具鋒利度明顯增加，加工鐵屑呈片狀，由于普通鉆床加工精度不高，加工過程中時常造成螺栓孔局部過切，影響表面著色質(zhì)量。經(jīng)試驗分析，將刀具前角適當(dāng)減小至-1°～0°，切削產(chǎn)生的鐵屑呈粉末或碎片狀，加工質(zhì)量有明顯改善。

2 刀具材料性能

2.1 刀具材質(zhì)分析

1） 成分分析

針對兩件不同批次的1#、2#錐度鉸刀，在刀齒部位取樣進(jìn)行化學(xué)定量分析，刀具成分均為M42 高速鋼，符合設(shè)計要求。具體結(jié)果見表1.

表1 化學(xué)定量分析結(jié)果

2） 硬度檢查與分析

在錐度鉸刀刀齒部位取樣進(jìn)行硬度分析，1#鉸刀硬度為HRC67.9～68.6，2#鉸刀相同取樣位置硬度為HRC66.6～66.8，2#鉸刀與1#鉸刀相比硬度略微偏低，1#鉸刀硬度在設(shè)計要求上限，部分點略高于要求，2#鉸刀硬度在要求中限。經(jīng)試驗統(tǒng)計，相同加工條件下，1#鉸刀的壽命是2#鉸刀的5-10 倍。在加工高溫合金和非常粘刀的40CrNiMoA 材料時，硬度略高的1#刀具切削性能明顯優(yōu)于2#刀具，相同幾何參數(shù)下，1#刀具切削刃更鋒利，加工時切削力更小，切削溫度更低，切削穩(wěn)定性好，加工精度更高。同時刀具的耐磨性一方面也取決于硬度,刀具硬度越高耐磨性越好，另一方面與它的化學(xué)成分有關(guān)，1#刀具錳、鎢、鈷等對耐磨性影響較大的元素含量也明顯高于2#刀具，由此說明1#刀具的耐磨性更好，切削磨損失效速度低，刀具壽命更高。綜上所述，相同材料的刀具，由于組織成分的微小變化造成的硬度和耐磨性差異，對切削壽命影響較大。

2.2 涂層刀具

通過理化對比分析發(fā)現(xiàn)，刀具的材料性能差異對切削壽命影響很大，為了提升刀具切削性能，制定了刀具涂層的方案，在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高地難熔金屬化合物，錐螺栓孔加工質(zhì)量有明顯改善。然而高速鋼刀具涂層難度較大，成本高，周期長，現(xiàn)階段供應(yīng)商生產(chǎn)的涂層刀具質(zhì)量不穩(wěn)定，試驗時涂層脫落快，刀具壽命極不穩(wěn)定，刀具的涂層技術(shù)在短期內(nèi)難以獲得突破，由此未對涂層刀具繼續(xù)進(jìn)行研究。但涂層刀具的試驗效果進(jìn)一步表明，對刀具壽命和切削性能影響最大是刀具材料的硬度和耐磨性。

2.3 高硬度、高耐磨材料刀具

為了提高刀具壽命和切削性能，考慮改進(jìn)刀具材料提升硬度和耐磨性。由于錐螺栓孔與渦輪軸存在干涉，加工懸伸長度非常大，不便于進(jìn)行數(shù)控加工，現(xiàn)安裝加長接桿采用普通搖臂鉆床加工，切削穩(wěn)定性較差，不宜采用硬質(zhì)合金刀具，由此制定了高硬度、高耐磨的粉末高速鋼刀具的改進(jìn)方案，與傳統(tǒng)高速鋼相比，粉末高速鋼的組織更加均勻，共晶碳化物尺寸小、無明顯偏聚，材料硬度、耐磨性更高，具有更加優(yōu)良的切削性能。改進(jìn)后錐螺栓孔的切削質(zhì)量獲得顯著改善，刀具壽命大幅提升。

3 結(jié)語

通過對精密錐螺栓孔的工藝難點進(jìn)行深入分析，剖析影響錐鉸刀切削的主要因素，試驗優(yōu)化刀具幾何參數(shù)，提升了刀具切削質(zhì)量和穩(wěn)定性，對刀具材料性能進(jìn)行對比分析，得出了材料硬度和耐磨性的微小差異對切削壽命影響較大的結(jié)論，由此改用高硬度、高耐磨的粉末高速鋼刀具，大幅提升了刀具壽命以及錐螺栓孔的加工質(zhì)量。