高壓渦輪封嚴托架銑削加工參數改進及應用

黃強

中國航發西安航空發動機有限公司 陜西西安 710021

1 序言

高壓渦輪封嚴托架零件在銑削加工過程中，零件的材料及結構、銑削刀具的規格、銑削速度、進給量和軸向背吃刀量等對零件的加工質量、加工效率以及加工成本都有很大影響。目前在生產過程中開展沃斯帕洛伊AMS5707高溫合金材料銑削的試驗比較少，缺乏切削參數數據，導致可以借鑒的切削加工工藝和參數較少。

2 零件材料及結構特征

2.1 材料分析

高壓渦輪封嚴托架材料為AMS5707沃斯帕洛伊高溫合金，這種合金在996～1038℃的溫度下，經過固溶和沉淀硬化處理，具有穩定的耐蝕和耐熱性能。此外，這種材料還具有優良的綜合力學性能，AMS5707高溫合金被廣泛應用到航空發動機、航天火箭及噴氣式發動機中的機匣、渦輪盤、盤軸、高壓封嚴托架和葉片等高溫部件的生產，是美國GE、加拿大普惠等公司現役發動機的盤件和封嚴環等零部件的核心材料。AMS5707材料有以下幾個特點。

1）材料韌性大。高溫強度、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。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象嚴重。這是由于零件表面硬化層的金屬極限強度和屈服點都很高，所以使切削條件變差，加劇了刀片磨損，尤其當刀具刃口不鋒利或者刀具材料不佳時，這種現象更為嚴重。

4）材料的導熱率較低。切削時產生的熱量不易散發，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 零件結構分析

高壓渦輪封嚴托架零件為薄壁環形件，如圖1所示。最大外圓直徑2 1 5.6 7 10-0.254mm，內孔直徑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個徑向槽，徑向槽軸向長度為（13.08±0.02）mm，寬度3.58mm，槽深8mm，零件毛料為鍛環件。

圖1 高壓渦輪封嚴托架結構示意

2.3 銑削加工難點

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

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

圖2 粗銑、精銑加工模擬

（3）加工效率低 在銑槽加工時，由于槽底部到零件中心的尺寸比零件半徑小，5個徑向槽為半封閉式，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，加工后尺寸不穩定。

3 銑削加工參數試驗及改進

3.1 主軸轉速試驗

銑削加工時選擇fz=0.04mm/z、ap=0.1mm的切削條件，主軸轉速n分別為3000r/min、4000r/min、5000r/min、6600r/min和7200r/min時進行銑削，銑削加工參數試驗結果見表1，零件的表面粗糙度值及其加工時間的變化規律如圖3所示。

表1 不同主軸轉速情況下銑削加工試驗數據

由圖3a可以看出，當n＜6600r/min時，隨著主軸轉速的提高，零件切削區產生并聚集大量的熱，但絕大多數的熱量都被高效切削產生的切屑帶走，傳遞并停留在工件表層的切削熱較少，由于零件在切削區域產生的塑性變形較小，所以合理地將主軸轉速提高，有利于零件表面粗糙度的改善。當主軸轉速達到7200r/min時，切削刀具與零件相對運動速度較高，因而產生大量的摩擦熱量，導致零件溫度急劇升高，銑刀前刀面與切削區域的溫度差異明顯，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，銑削加工時間隨著主軸轉速的提高而不斷減少，表明當主軸轉速提高，刀具的切削速度會隨之提高，如果切削路程相同，所用切削時間會更短。

圖3 表面粗糙度值和加工時間與主軸轉速的變化規律

在實際加工時，為了得到更好的表面粗糙度，可以根據具體設備額定轉速及所加工零件材料的特點，適當的提高主軸轉速。合理地提高主軸轉速，有利于縮短工件切削時間。

3.2 銑刀進給量試驗

在n=6600r/min、ap=0.1mm的切削條件下，銑刀進給量fz分別為0.005mm/z、0.01mm/z、0.02mm/z、0.03mm/z和0.04mm/z時的銑削加工參數試驗結果見表2，零件的表面粗糙度值及其加工時間的變化規律如圖4所示。

表2 不同進給量情況下銑削加工試驗數據

由圖4a可知，將進給量fz逐步提高，零件的表面粗糙度值Ra也逐漸提高。因此，調整進給量將直接影響加工后的零件表面粗糙度值，尤其是當進給量由0.02mm/z變為0.04mm/z時，零件的表面粗糙度值Ra升高很快。如果持續提高進給量，由于切削零件表層區域高度也逐漸增加，所以表面粗糙度值會逐漸提高。由于加工零件時的平均銑削力F與進給量fz成正比關系，隨著進給量的提高，銑削力也會增大，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，銑削加工時間隨著進給量的提高不斷減少，所以調整進給量將直接影響工件的加工時間。

圖4 表面粗糙度值和加工時間與進給量的變化規律

在實際生產中，為了獲得較理想的零件表面質量，刀具的進給量不宜過高。為了最大程度地節約走刀時間，可根據刀具線速度推薦值，適當提高進給量。

3.3 刀具軸向背吃刀量試驗

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時的銑削加工參數試驗結果見表3，零件的表面粗糙度值及其加工時間的變化規律如圖5所示。

表3 不同軸向背吃刀量情況下銑削加工試驗數據

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區間內上下擺動。將軸向背吃刀量由0.05mm逐漸提高到0.4mm時，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接觸面增大，切削面積越大，銑削阻力越大，導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加工時間的影響非常大，所以調整軸向背吃刀量將直接影響工件的加工時間。

圖5 表面粗糙度值和加工時間與刀具軸向背吃刀量的變化規律

實際生產中，適當地增大軸向背吃刀量，可以使切屑變長，接觸面積變大，帶走更多的切削熱。但若持續提高軸向背吃刀量，則會導致加工切削力增大，影響刀具使用壽命，可能會引起零件變形。零件加工時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計圖樣要求的表面粗糙度的基礎上，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，可以縮短加工時間，但若持續提高軸向背吃刀量，則會導致加工切削力增大，刀具容易斷裂，也可能會引起零件變形，從而影響零件加工質量。

綜上所述，高壓渦輪封嚴托架在銑削加工中，在加工設備條件具備，滿足圖樣尺寸要求及刀具使用周期的基礎上，主軸轉速應盡可能高、進給量應適當降低、軸向背吃刀量根據實際情況選擇，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間。

3.4 刀具耐用度試驗

使用電子萬能工具顯微鏡對刀具端刃及后刀面的磨損帶進行拍照，采用電子萬能工具顯微鏡自帶的測量分析軟件對后刀面磨損VB值進行測量，如圖6a所示。電子萬能工具顯微鏡為貴陽新天光電科技有限公司生產的型號JVP300F，如圖6b所示。進行刀具磨損測量時，選擇刀具切削刃磨損較為勻稱的部分進行測量，分別對兩處端齒的磨損帶寬度進行檢測。

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到其中任何一個磨損值，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，獲得的刀具磨損銑削試驗測量結果見表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處對應的刀具加工時間，就是刀具的抗磨損程度。由圖7可知，線速度vc=42m/min時刀具加工時間最長，其抗磨損程度越好，線速度vc=56m/min時刀具加工時間最短，刀具抗磨損程度越差。后刀面磨損量VB=0.3mm時的刀具壽命見表5。

圖7 各切削速度下刀具磨損曲線

表5 VB=0.3mm時的刀具壽命

由于AMS5707高溫合金在毛料鍛造過程中存在部分硬質點，所以在銑削加工時，刀具切削到硬質點時會急劇磨損。在銑削過程中，當軸向ap＞0.5mm時，加工零件銑刀會發紅，如果繼續加工，刀具會斷裂。因此在零件試切前，必須選擇合理的刀具結構及涂層材料，改進加工參數，減少刀具磨損、斷裂。通過試驗得到滿足刀具最小使用壽命，刀具磨損滿足磨鈍標準的切削線速度為52m/min。

3.5 小直徑銑刀銑削參數試驗

高壓渦輪封嚴托架進行銑削時，粗銑使用φ3mm直柄銑刀，精銑使用φ1mm銑刀（見圖8）。試切試驗時，進給量fz和軸向背吃刀量ap越大，銑削加工時間t越短。但軸向ap=0.15mm時，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接觸面增大，切削面積越大，銑削阻力越大，導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

通過試驗得到滿足零件表面粗糙度要求、加工時間最短的切削加工參數。φ3mm銑刀的最優切削參數為：n=5500r/min、fz=0.09mm/z、軸向ap=0.10mm。φ1mm銑刀的最優切削參數為：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 銑削加工時間

采用高效銑削加工參數前，使用φ1mm銑刀進行銑削加工，加工參數的選擇使用經驗值，為保證零件加工合格率，使用的加工參數較為保守，單個槽加工時間為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后，加工單個槽時間為12.5min。

采用高效銑削加工后節約的加工時間η為

式中，t1為常規銑削加工時間（min）；t2為高效銑削加工時間（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，高效銑削加工節約的加工成本η t為

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

4.3 加工合格率

在高壓渦輪封嚴托架零件徑向槽的高效銑削加工過程中，共計11個批次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 結束語

本文對高壓渦輪封嚴托架徑向槽的銑削加工工藝進行了研究，結合AMS5707沃斯帕洛伊鎳基高溫合金材料的特點，開展了銑削加工參數改進的試驗研究。對機床主軸轉速、銑刀單齒進給量和銑刀軸向背吃刀量加工參數進行了銑削試驗，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。高效銑削加工參數在航空發動機高壓渦輪封嚴托架徑向槽的高效銑削加工的應用，可以有效地減少鎳基高溫合金材料的銑削加工時間，節約零件銑削加工成本，提高零件銑削加工質量。