一種燃氣渦輪軸承座電極制造技術研究

覃事鵬 謝強 邱述龍

摘要：本文介紹了一種燃氣渦輪軸承座電極的制造工藝，通過對其結構和關鍵尺寸的深入分析與研究，從電極的焊接控制、矩形槽的加工、內外圓的磨削、電極的檢測及電極的存儲控制五個方面詳細闡述了燃氣渦輪軸承座電極的加工方法，以期為后續類似電極的加工制造提供可靠的借鑒。

Abstract： This paper introduces a manufacturing process of gas turbine bearing pedestal electrode.Through in-depth analysis and Research on its structure and key dimensions，the machining method of gas turbine pedestal electrode is described in detail from five aspects：electrode welding control，rectangular groove machining，inner and outer circle grinding，electrode detection and electrode storage control， in order to provide a reliable reference for the processing and manufacturing of similar electrodes.

關鍵詞：燃氣渦輪軸承座;電極;焊接;檢驗

Key words： gas turbine bearing pedestal;electrode;welding;inspection

中圖分類號：U463.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0103-03

0? 引言

燃氣渦輪軸承座是航空發動機關鍵零部件之一，整體材料為鑄造高溫合金，其內部結構異常復雜，其內型腔中的異型槽加工是其制作難點之一。該異型槽的槽子寬度在2.4mm，深度達30mm，尺寸公差需控制在0.05mm以內，在軸承座中呈三處均布，三個槽子位置度要求控制在Φ0.05以內。常用的冷加工技術手段很難保證其相關尺寸合格，目前業內普遍采用電火花技術進行加工。電火花加工技術的難點其一是電火花加工參數的控制，其二是電極加工質量的控制。如何制造出合格的電極是保證燃氣渦輪軸承座加工質量的前提，本文介紹一種圓環形并帶有三處矩形槽的電極加工技術研究。

1? 電極制造的難點分析

如圖1所示，該航空發動機軸承座電極為45號鋼與紫銅焊接件，其型面呈圓環形并帶有三處矩形槽，電極有效工作部分壁厚最薄處僅2.1mm，而其高度達30mm，尺寸公差要求在±0.03mm以內，三處矩形槽的位置度要求控制在Φ0.05以內。在電極的生產制造過程中受焊接、加工應力等多種因素的影響極易產生形變，尺寸公差及位置度很難控制。特別是電極工作部分紫銅厚度薄、材料軟，在制造、轉工過程很容易造成電極變形、劃傷、碰傷，且三段不完整的圓弧形輪廓測量困難等一系列問題是造成燃氣渦輪軸承座電極制造難度的重點原因。

2? 電極的加工過程控制

2.1 電極的加工工藝路線分析

如圖2所示，該燃氣渦輪軸承座電極的工作部位相較于其他部位處壁厚薄，壁厚分布不均勻，同時在壁厚相對較薄的區域開有三處相對較深呈均布形態的矩形槽，此處由45鋼鋼制本體與紫銅焊接而成。在加工過程中，首先應對鋼體部分及紫銅部分分別進行粗車去除余量，并在鋼制部分與紫銅部分兩者相結合處做焊接倒角;在焊接時應充分考慮到焊接變形的影響，制作二級工具進行上下兩部分定心，同時采取時效處理的方式消除焊接完成后電極內部釋放的焊接應力;焊接件時效處理完成后進行精車及數控銑加工三處矩形槽，加工三處矩形槽時，要采取措施降低切削力，避免造成矩形槽槽口形變;最終在最后一道機加工序磨削時，應注意裝夾方式對加工造成的影響，同時應充分考慮砂輪與紫銅之間磨削時易發生粘結，造成砂輪表面堵塞的情況。

電極的加工工藝路線主要分為以下幾道工序：

粗車—熱處理—焊接—人工時效—精車—數控銑—電火花—立磨—鉗工—檢驗

其中關鍵工序主要集中在焊接、數控銑、電火花加工、立磨、檢驗、轉工等6個環節。

2.2 電極的焊接變形控制

燃氣渦輪軸承座電極在焊接完成后由于焊縫之間集中了大量的焊接應力，隨著時間的推移，其內部的焊接應力會不斷釋放，電極發生形變導致加工余量不足，容易導致成批產品報廢。針對電極焊接變形后無加工余量問題主要采取了以下兩方面措施：

一是設計了專用焊接夾具來保證電極鋼制件與紫銅部件兩者同心;如圖3所示，電極主要由鋼體（黑色部分）與紫銅環（黃色部分）兩部分組成，焊接過程中由于焊接應力的不斷釋放，會導致鋼體部分及紫銅部分不同心，焊接完成后導致后序工序無余量加工，故設計了二級工具芯棒（綠色部分），用來確保鋼體部分與紫銅部分定心后再進行焊接。同時在焊接工序進行前，應對鋼體與紫銅相互接觸的坡口處加工焊接倒角，確保兩者之間焊接牢固。

二是為了徹底的消除焊接完成后電極內部的焊接應力，一般在焊接完成后進行時效處理。時效處理分為人工時效與自然時效兩種處理方式，均是為了能夠消除機械加工、熱處理后與焊接后工件內部產生或者遺留的殘余應力。自然時效需要在自然環境條件下隨著時間的推移釋放應力，周期長不適用于工廠內部的產品生產。而人工時效是一種通過人為控制的方法，通過一定的技術手段對工件進行加熱或者深冷處理來消除工件內部殘余的應力。由于深冷處理相對于人工加熱的成本較高，在對電極進行人工時效處理時選取加熱方式來進行應力釋放。在電極焊接完成后，焊接夾具隨被焊電極一同進入電爐中人工時效處理（如圖4），時效溫度控制在400℃，保溫時長為4h。

2.3 矩形槽的加工控制

電極在加工其內外圓表面三處矩形槽時，一是由于銑削過程中銑削產生的切削力大，造成矩形槽開口處敞開變形;二是因為電極由本體與紫銅兩部分焊接而成，本體材質為45鋼，熱處理后硬度為HRC35～40，相較紫銅硬度高，在銑削二者結合處時由于材質不同，刀具在銑削過程中容易出現振刀現象，對于矩形槽槽口尺寸精度影響較大。三處矩形槽主要用于避讓開被加工零件非加工出，因而電極矩形槽開口尺寸必須要進行嚴格的尺寸控制。

根據以往加工類似零件的經驗，首先通過數控銑對該矩形槽進行粗銑，單邊留0.5mm的余量;其次再利用電火花機床電加工時切削力小的特點，通過制造專用電極放電將電極矩形槽尺寸加工到位，電火花加工時應將電極豎直擺放加工，即專用電極從燃氣渦輪軸承座電極的徑向方向加工（如圖6所示），避免了從軸向方向加工時加工時間長的缺點，縮短了加工時間，提高了生產效率。

2.4 電極內外圓的磨削控制

針對電極型面內外圓在磨削過程中產生變形問題，經過分析，主要由三個方面的原因造成：一是在磨削加工過程中由于內外圓型面不是整圓，電極被加工處壁厚薄，受切削力及磨削熱的影響造成磨削過程中的變形;二是受裝夾方式的影響，電極易裝夾變形，加工完成后發生回彈;三是砂輪在磨削過程中極易與銅屑發生粘結，磨削產生的銅屑嵌入砂輪砂粒中，堵塞砂輪，磨削效率低。經過分析采取以下三種手段：

①裝卡方式采用磁盤吸緊的方式（如圖7），避免三爪卡盤的裝卡帶來的回彈變形;

②采用的是單晶剛砂輪，因其砂粒細膩，不僅使電極磨削力減小，而且被加工出來工件表面粗糙度好;

③增加冷卻液，在磨削過程中，砂輪與被加工件之間由摩擦產生的銅屑極易嵌入砂輪砂粒中，堵塞砂輪。通過添加冷卻液不僅將粘在砂輪中的銅粉沖走，起到了沖洗的效果;同時降低了砂輪的溫度，帶走了大部分切削熱量。

2.5 電極的檢驗

電極的內外圓上的矩形槽呈三處均布不對稱結構，利用常規手段檢測很難找到電極的最高點，做不到全型面檢測，容易造成漏檢與錯檢;同時由于電極內外圓之間的壁厚薄，在用卡尺測量矩形槽尺寸時，卡尺卡腳會對矩形槽兩側有一定的擠壓，導致測量不準確同時相對不穩定，對操作者的水平相對較高。為提高電極的檢驗質量和效率，改變傳統測量方式，利用三坐標掃描電極型面內外圓及槽的輪廓（如圖8），將得到的型面輪廓數據與設計圖紙進行比對來判定其尺寸是否合格，這樣有效的杜絕了檢驗過程中的錯檢、漏檢的漏洞，消除了相關質量隱患，還能提高檢測效率。

2.6 電極的運輸、存儲過程控制

由于電極的壁厚較薄，在零件周轉過程中極其容易發生磕碰，所以電極在轉工過程中應輕拿輕放，放入專用的電極轉工箱中（如圖9所示）來進行轉運;特別是三坐標檢驗完成后，表面應均勻涂抹防銹油，并放入木盒中實施定置管理，并貼好相應的標簽。這樣在轉工、運輸及儲存過程取拿方便，而且有效避免了電極表面遭到劃傷、碰撞、塌邊等磨損情況發生，確保電極在運輸及儲存的過程中質量狀態穩定。

3? 結論

本文針對一種燃氣渦輪軸承座電極的結構特點及其相關尺寸要求，從電極的焊接技術、矩形槽的加工技術、型面內外圓的磨削技術、電極的檢測及運輸存儲五個方面開展制造工藝技術研究。結合生產現場的實際加工情況，詳細分析和闡述了燃氣渦輪軸承座電極的加工制造工藝方法及運輸難點，在解決該電極制造難題的同時，有效提高了電極的生產效率。同時，也為類似零件的加工制造、檢測及運輸提供了借鑒方案和經驗。

參考文獻：

[1]王先逵主編.機械制造工藝學[M].機械工業出版社，2011.

[2]彭福泉主編.機械工程材料手冊[M].機械工業出版社，1991.

[3]李森林主編.機械制造基礎[M].化學工業出版社，2007.

[4]楊殿英主編.機械制造工藝[M].機械工業出版社，2009.

[5]楊建明.電火花加工工具電極制備技術研究進展[J].機床與液壓，2007，35（11）：151-154

[6]溫文炯.基于三坐標提取點數據的圓柱度誤差的評定方法[J].機械工業標準化與質量，2021（07）.