篦齒盤高敏感孔螺旋銑加工工藝研究

梁永朝，劉彥軍，張 瀟

(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

篦齒封嚴(yán)是利用通道的突擴和突縮增加流阻以限制流體泄漏的非接觸式動封嚴(yán)，是航空發(fā)動機中廣泛使用的一種有效的、長壽命的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，主要用于壓氣機和渦輪級間[1]。螺栓連接是航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件常見的連接方式。高壓渦輪組件在高溫、高轉(zhuǎn)速下工作，載荷環(huán)境惡劣，而螺栓通孔孔邊區(qū)域則是疲勞裂紋萌生的高發(fā)區(qū)[2]。為加強螺栓孔表面完整性控制，提高螺栓孔表面抗疲勞性能，國外某發(fā)動機OEM公司某型航空發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子前篦齒封嚴(yán)盤螺栓孔采用異型螺栓孔設(shè)計，同時該孔被定義為高敏感孔，孔加工過程需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求在精加工后采用珩磨或磨粒流加工方式進行，但是往往珩磨及磨粒流加工設(shè)備屬于精密加工設(shè)備，一般數(shù)量有限，實際生產(chǎn)過程中任務(wù)都較為飽和，因此為了切實提高高敏感孔加工效率，滿足生產(chǎn)需求，首次嘗試采用螺旋銑削異型孔加工方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的珩磨或磨粒流加工。

1 零件材料特性及結(jié)構(gòu)特性

篦齒盤材料為GH4065A(美國牌號Rene65)，作為針對航空發(fā)動機熱端轉(zhuǎn)動部件工況要求研制的新型變形高溫合金，其主要合金元素含量與Rene88DT相近，GH4065A合金是在此成分基礎(chǔ)上根據(jù)鑄錠冶金技術(shù)的要求進行專門的優(yōu)化后形成的一種新型鎳基γ'沉淀強化型變形高溫合金，是國內(nèi)最新研發(fā)的高性能發(fā)動機轉(zhuǎn)子材料，其最高服役溫度可達750 ℃，性能接近二代粉末冶金性能水平，而且制造成本較低，是高推重比發(fā)動機盤類熱端轉(zhuǎn)動件的優(yōu)選材料[3-4]。GH4065A合金名義成分見表1[5]。材料硬度≥40 HRC，屬于一種新型粉末高溫合金難加工材料。

表1 GH4065A合金名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

篦齒盤零件實物如圖1所示，是一種典型的盤環(huán)類封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，其在渦輪轉(zhuǎn)子組件中的連接安裝方式如圖2所示。篦齒封嚴(yán)盤前端與高壓壓氣機轉(zhuǎn)子連接，另一端與高壓渦輪鼓筒軸連接，并且這三者之間都是通過篦齒盤上的異形通孔采用螺栓連接的方式工作。異形孔在高溫、高壓下承受著離心載荷及螺栓扭力的多重作用，工作環(huán)境相當(dāng)嚴(yán)苛，因此篦齒封嚴(yán)盤異形孔的加工控制要求非常嚴(yán)格，國外OEM公司將其納入關(guān)鍵零部件控制，該異形孔被定義為高敏感孔，加工參數(shù)要進行嚴(yán)格的控制。

圖1 篦齒封嚴(yán)盤零件

圖2 篦齒封嚴(yán)盤安裝結(jié)構(gòu)

篦齒封嚴(yán)零件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示，篦齒最大外徑為272.186 mm，盤心最大直徑為125.43 mm，盤心厚度為29.29 mm，輻板厚度為8.31 mm，輻板圓周方向上分布著一圈36個異形孔，異形孔具體尺寸要求如圖4所示。異形孔左右寬度及前后寬度均為10.084 mm，由8段圓弧組成，最大圓弧半徑為37.592 mm，同時異形孔有自身輪廓度要求及相對基準(zhǔn)的輪廓度要求，分別為0.12 mm和0.25 mm，異形孔的表面粗糙度要求為Ra1.6 μm，異形孔屬于高敏感孔，孔加工過程控制要按照D級控制要求執(zhí)行，即孔加工過程要進行扭矩監(jiān)控，同時最終孔加工表面要采用磨粒流加工，孔加工工藝控制要求非常嚴(yán)格。相關(guān)研究也表明：異型孔輪廓設(shè)計參數(shù)選取恰當(dāng)，可有效減小孔邊應(yīng)力[6-7]。因此，對于已經(jīng)確定的篦齒盤異形孔尺寸要求，良好的加工質(zhì)量對于零件使用壽命具有很重要的影響。

圖3 篦齒封嚴(yán)盤結(jié)構(gòu)

圖4 異形孔尺寸要求

通過上述分析可知，開展螺旋銑削粉末高溫合金異形高敏感孔加工，難點在于一是摸索粉末高溫合金材料的切削性能及合理的工藝參數(shù)；二是按照高敏感孔控制要求滿足孔徑尺寸要求及表面粗糙度要求。

2 異形孔加工工藝控制要求

篦齒盤異形孔按照D級孔加工進行控制，具體孔加工類別劃分原則見表2。

表2 孔加工類別劃分原則

D級孔作為重要連接部位的高敏感孔，其加工過程控制要求見表3。可以看出，D級孔的控制要求非常嚴(yán)格，除了需要進行人員培訓(xùn)、參數(shù)控制、刀具磨損測量外，還要進行工藝過程監(jiān)控，工藝監(jiān)控是對關(guān)鍵零部件孔加工過程的基本要求，目的是以監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定來獲得加工狀態(tài)的穩(wěn)定。針對有工藝監(jiān)控要求的孔加工，用普通數(shù)控加工中心配置功率監(jiān)控器，對設(shè)備功率、主軸轉(zhuǎn)速、冷卻液流量、進給量進行測量，使零件加工過程中的切削力由常規(guī)的不可見不可控變?yōu)榭芍庇^顯現(xiàn)的電壓值，獲得詳實的孔表面的應(yīng)力數(shù)據(jù)，建立孔加工數(shù)據(jù)庫，在零件試制階段總結(jié)加工參數(shù)，設(shè)定允許極限和最大極限，并作出相應(yīng)的報警反應(yīng)，實現(xiàn)對刀具的壽命控制和零件的壽命保障，應(yīng)該說屬于自適應(yīng)加工控制的一種典型應(yīng)用。扭矩監(jiān)控裝置如圖5所示。

表3 孔加工類別控制要求

圖5 扭矩監(jiān)控裝置

高敏感孔除了要進行扭矩監(jiān)控外，一般孔的精加工表面要進行磨粒流加工，但是因為磨粒流加工效率較低，加之設(shè)備數(shù)量有限，難以滿足高效生產(chǎn)需求，經(jīng)過研究分析，決定采用螺旋銑削異形孔的加工方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨粒流加工，開展螺旋銑削異形孔加工工藝研究。

3 異形孔螺旋銑加工工藝研究與應(yīng)用

螺旋銑孔過程由主軸的自轉(zhuǎn)和主軸繞孔中心的公轉(zhuǎn)2種運動復(fù)合而成[8]。螺旋銑孔工藝示意圖如圖6[9]所示。

a) 三維立體 b) 二維平面

螺旋銑孔與傳統(tǒng)的鉆削工藝相比，具有其獨有優(yōu)勢。首先，刀具中心的運動軌跡是螺旋線而非直線，即刀具中心不再與所加工孔的中心重合，屬偏心加工過程[10]。一般情況下刀具的直徑不再與孔的直徑相同，可以根據(jù)孔的大小選擇合適刀具進行加工，這突破了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)中一把刀具加工同一直徑孔的限制，實現(xiàn)了單一直徑刀具的“柔性加工”。這不僅提高了加工效率，同時也大大減少了刀具使用種類和數(shù)量，有效降低了加工成本。其次，螺旋銑孔過程屬于斷續(xù)加工，不僅排屑容易，而且有利于刀具散熱，可有效降低刀具因熱量聚集而造成的高溫磨損，從而提高刀具的使用壽命。第三，不同于傳統(tǒng)鉆削加工，螺旋銑孔的軸向力遠遠小于傳統(tǒng)鉆孔加工，這有利于良好的孔加工出口質(zhì)量提升，特別是對篦齒盤類的粉末高溫合金材料。同時螺旋銑削偏心加工的方式使得切屑有足夠的空間從孔槽排出，排屑方式有利于孔加工表面質(zhì)量的提升。

篦齒盤異形孔屬于高敏感孔，采用螺旋銑削加工工藝，首先要開展相關(guān)的切削試驗，進行相關(guān)參數(shù)的積累，包括刀具的選型，程序的編制以及現(xiàn)場的試驗等。在加工工藝方面，采用粗加工鉆底孔留余量，然后再進行異形孔銑削精加工的加工方式。在加工刀具選擇方面，粗加工刀具采用φ9硬質(zhì)合金鉆頭(見圖7)，螺旋銑削采用φ2.8×R0.8四刃端面銑刀(見圖8)，孔口倒角采用φ8×90°(見圖9)的倒角銑刀進行，最后采用φ14的毛刷進行孔口去毛刺處理(見圖10)。

圖7 φ9硬質(zhì)合金鉆頭

圖8 φ2.8×R0.8四刃端面銑刀

圖9 φ8倒角銑刀

圖10 φ14毛刷

異型孔粗加工采用φ9硬質(zhì)合金鉆頭粗鉆，單邊留有0.5 mm余量進行螺旋銑孔精加工。鉆孔過程經(jīng)過現(xiàn)場多輪參數(shù)試驗，主軸轉(zhuǎn)速S=350 r/min，進給量F=0.05 mm/r，一把鉆頭加工18個孔后，刀具磨損量達到0.191 mm，接近技術(shù)要求規(guī)定的鉆頭最大磨損帶不超過0.20 mm的上限，因此加工完18個孔后必須換把新鉆頭，完成36個異形孔中后18個孔的鉆削加工。

完成粗加工鉆孔后，開始進行螺旋銑孔加工參數(shù)試驗。通過編制螺旋銑削的數(shù)控加工程序，利用端面銑刀刀尖R作為切削刃進行螺旋銑削，同時按照要求高敏高孔加工過程中要進行扭矩監(jiān)控，螺旋銑削程序刀軌如圖11所示。φ2.8×R0.8四刃端面銑刀的切削參數(shù)經(jīng)過多次切削加工試驗(見圖12)，依據(jù)刀具的磨損量和加工材料表面的粗糙度不斷進行調(diào)整，通過試驗確定，一把四刃端面銑刀加工6個孔后，刀具磨損量達到0.192 mm，接近技術(shù)要求規(guī)定的銑刀最大磨損帶不超過0.20 mm的上限要求，也就是說刀具換刀點為6個孔，此時試驗獲得的加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速S=1 700 r/min，進給量F=0.05 mm/r，每層切削深度為0.15 mm，之后進行孔口倒角銑削及孔口毛刷去毛刺加工，具體加工參數(shù)見表4。

圖11 螺旋銑削程序刀軌

圖12 螺線銑削試驗件

表4 異形孔試驗加工參數(shù)

完成所有加工后，檢測孔徑尺寸及輪廓度均滿足設(shè)計圖樣要求，特別是孔的表面粗糙度達到Ra1.6 μm，螺旋銑削異形孔加工質(zhì)量完全滿足圖樣技術(shù)要求，達到了替代磨粒流加工的試驗?zāi)康模慵崿F(xiàn)了合格交付。最終零件異形孔表面質(zhì)量如圖13所示。

圖13 篦齒盤異形孔表面狀態(tài)

4 結(jié)語

通過對高壓渦輪轉(zhuǎn)子前篦齒封嚴(yán)零件材料及性能特點分析，以及高敏感孔加工工藝控制要求的介紹，開展了篦齒盤異形孔螺旋銑削加工工藝研究。采用粗加工鉆底孔+螺旋銑削精加工的方式，開展切削工藝參數(shù)的試驗，摸索出GH4065A粉末高溫合金篦齒盤零件異形孔加工工藝參數(shù)。通過試驗可知，異形孔加工尺寸及表面粗糙度要求均滿足設(shè)計圖樣要求，采用螺旋銑削加工異形孔的方式可以替代珩磨或磨粒流加工，實現(xiàn)了螺旋銑削工藝在加工粉末高溫合金材料高敏感孔應(yīng)用上的新突破，為今后螺旋銑削工藝在航空零部件加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益探索。