帶內花鍵的薄壁傳動軸變形的控制

李丹，周平，孫剛

（中國航發貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 550014）

0 引言

薄壁筒體零件剛度差，在加工中容易變形，這會導致兩種不符合設計要求的情況出現：第一種變形較嚴重，零件加工完成后，精度較高的幾何尺寸及技術條件就不滿足設計圖樣要求；第二種，零件加工完成檢驗合格入庫，零件經過自然時效，殘余應力完全釋放，零件局部塑性變形，精度高的尺寸及技術條件超出了裝配要求，在實際裝配時卻裝配不了的情況。

1 薄壁筒體零件變形原因分析及應對措施

如何控制變形是保證薄壁筒體零件質量的關鍵，在機械加工中，此類薄壁筒體零件變形原因主要有以下2個方面。

1.1 工藝裝夾及加工路線

此類薄壁件，由于零件剛度差，特別是壁厚不超過5 mm時，因夾緊力與支撐力的作用點選擇不當，會引起附加應力，夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸及形位公差，產生加工變形[1]。在粗加工外圓及加工內孔時可用徑向夾緊，但須增加夾緊面積或增加零件剛度。在加工內花鍵及外圓精加工時只能用軸向夾緊方式，讓夾緊力能夠沿著零件軸向分布，零件軸向的剛度較大，能夠讓夾緊力作用在剛度較強的區域，從而減小變形概率。

零件必須粗精加工分開進行，形狀復雜的還需要增加半精加工工序。粗加工及半精加工主要目的是去除余量，精加工是為了保證零件尺寸、技術條件及表面質量，粗加工及半精加工后給精加工留余量，在粗加工及半精加工產生的變形，在精加工中可以得到糾正。

1.2 加工殘余應力

殘余應力[1]是指在沒有對零件施加外力作用時，存在于物體內部且保持平衡的力，對于機械加工來說，分為初始殘余應力和零件在加工過程中產生的加工殘余應力。加工殘余應力是由于零件在加工過程中受到切削力和切削熱作用，使零件表層內部產生了新的加工殘余應力。這些殘余應力處于不穩定的狀態，當零件受到外力作用（機械加工主要為刀具的切削力）及切削熱（主要是刀具對已加工面的擠壓，刀具前刀面與切屑，后刀面與已加工表面之間的摩擦而產生的切削熱）時，使初始殘余應力遭到破壞，截面內的應力重新分布，使其某些局部產生塑性變形。當外力及切削熱消失后，整個零件由于殘余應力的作用發生變形。

在加工中，切削工藝參數：切削速度Vc、進給量f、切削深度ap的選擇，對切削力及切削熱影響較大。研究表明，在保證刀具鋒利的前提下，切削速度Vc、進給量f、切削深度ap越大，切削力及切削熱就越大，隨之加工殘余應力也相應增大[2]。對切削力影響最大的是切削深度，其次是進給量，影響較小的是切削速度；對切削熱的影響剛好相反，影響最大的是切削速度，其次是進給量，影響較小的是切削深度；合理地選擇切削參數可以有效地減小加工殘余應力。

一般在粗加工及半精加工時，為了提高效率，采用低轉速、大進給量、大切削深度的方式去除大余量，這樣雖然加工殘余應力增大，但零件變形可在精加工中進行修復[3]。精加工時，采用高速、多次的小進給、小切削深度的加工方式，減少零件變形的可能性，保證零件加工精度，獲得好的表面質量。

在粗加工及半精加工去除大量余量后，增加去應力工序，去除粗加工及半精加工產生的殘余應力引起的塑性變形。

通過對以上一般薄壁筒體零件變形原因的分析，以多功能軸為例，制定具體的多功能軸控制變形的措施，最終給出多功能軸的加工裝夾方法、工藝加工路線及切削工藝參數。

某型機多功能軸，一端內花鍵連接低壓渦輪轉子，另一端內花鍵連接風扇轉子，用于將低壓渦輪的轉矩和軸向力傳遞給風扇，是發動機上的重要零件，結構如圖1所示。

圖1 多功能軸三維圖

2 多功能軸結構特點及加工難點

2.1 多功能軸的結構特點

零件毛坯：材料為TC11，Ⅱ類鍛件；零件總長為208 mm，最大外徑為φ149 mm，壁厚為4 mm，屬于典型的薄壁筒體零件。外圓上有封嚴篦齒，兩端有高精度內花鍵，花鍵對基準的跳動為0.036。零件的尺寸及技術條件要求高，多處孔為6級公差，軸為5、6級公差。孔和外圓、端面跳動多為0.02 mm，基準B對基準A的跳動為0.01 mm。零件的外圓上有空間槽及空間孔。零件尺寸及技術要求如圖2所示。

圖2 高精度尺寸及技術條件示意圖

2.2 加工難點

3 多功能軸控制變形，保證加工難點的措施

3.1 工藝加工路線及工藝裝夾

通常情況下，為保證加工面對設計基準的跳動、同軸度等技術條件，一般是先加工出外圓基準面，再裝夾外圓基準面加工其他面及花鍵，保證與基準面的技術條件。而該類零件由于其薄壁，如果先加工外圓基準面，再以外圓基準面做為裝夾基準，就會使加工出的零件變形嚴重。

在粗加工外圓及精加工內孔時，我們采用在外圓中間留工藝臺的方法，工藝臺留在外圓中間，加工時零件懸伸短，提高零件的剛度，解決了零件加工的裝夾問題。內孔及花鍵均以工藝臺為定位裝夾基準，加工至最終尺寸，再以內孔為定位裝夾基準，加工外圓。內孔是同一裝夾基準加工，內孔同軸度容易保證，外圓也是同軸度得到保證的同一基準加工出來，這樣也解決了基準轉換問題，保證外圓和內孔的技術條件及花鍵對基準的跳動。

花鍵加工方法有展成法和成形法，展成法有插齒、滾齒；成形法有拉削、銑削、磨削等[4]。對于內花鍵只有用插齒和拉削的加工方法，如果用拉削的加工方法，廠內現有的拉床設備需要用外圓定位夾緊，加工時零件受到徑向的夾緊力，因此內花鍵采用插齒的方法進行加工，用工藝臺的一端面定位夾緊，另一端面支承的裝夾方式，這樣夾緊力向下而支承力向上，減少零件受力。

銑槽及鉆孔采用大端內孔定位，端面支承，軸小端定位壓緊的方法，在五軸加工中心上一次裝夾加工完成。

具體方法如下：

1）在零件中間留工藝凸臺，如圖3所示（一般比零件最大外圓處單邊高出4～5 mm，長度40 mm），對工藝凸臺的要求是凸臺兩端面對外圓的跳動要求在0.01 mm以內。

圖3 工藝凸臺位置圖

2）用工藝凸臺的外圓定位，端面進行支承和夾緊。加工零件一端端面、內腔加工至最終尺寸，包括基準孔。外輪廓留少量的加工余量。

3）用工藝凸臺的外圓定位，端面進行支承和夾緊。加工零件另一端端面、內腔加工至最終尺寸，包括基準孔。外輪廓留少量的加工余量。

4）用工藝凸臺的一端面定位夾緊，另一端面支承，插一端內花鍵， 加工前需找正這端內花鍵對應的基準孔跳動（0.01 mm）。

5）同樣方法加工另一端內花鍵，如圖4所示。

圖4 內花鍵加工裝夾圖

6）用兩基準內孔定位，壓緊軸小端面，精加工外輪廓至最終尺寸，如圖5所示。

圖5 精加工外輪廓裝夾圖

7）用大端內孔定位，端面支承，軸小端定位壓緊，在五軸上銑槽及鉆孔，如圖6所示。

圖6 銑槽及鉆孔裝夾圖

零件加工的工藝路線為：毛坯→粗車輪廓→車工藝凸臺→半精車輪廓→熱處理去應力→精車工藝凸臺→精鏜內腔一端基準孔→精鏜內腔另一端基準孔→插一端內花鍵→插另一端內花鍵→清理內腔毛刺→以兩端基準孔定位粗加工去除工藝凸臺→以兩端基準孔定位精車外圓輪廓→銑槽及鉆孔→去毛刺→最終檢驗→鍍鎳。

3.2 多功能軸切削工藝參數具體選擇

切削速度根據工件材料、刀具材料及加工要求等因素來確定，多功能軸材料為TC11，其合金高溫變形性能好。

由于涂層刀片和YT類硬質合金會與鈦合金產生劇烈的親和作用，不宜用來切削鈦合金，應選用與鈦合金親和小的YG鎢鈷類硬質合金刀具。

前期，我們在加工某零件（材料為TC11）外圓時，選用鎢鈷類硬質合金刀具，我們選取的切削用量三要素為：切削速度為80 m/min，切削深度為0.5 mm，進給量為0.2 mm/r，當加工至11件時，刀具因切削熱燒毀而失去切削刃。

咨詢刀具廠家，查詢鈦合金加工資料，由于鈦合金熱傳導性差（只有普通碳鋼的1/5～1/7），切削熱不易散發，切削速度越大，產生的切削熱就越大，刀尖容易燒毀失效[5]。將切削參數調整為：切削速度為40 m/min，切削深度為0.5 mm，進給量為0.25 mm/r，這樣加工30件零件時，刀具只是出現輕微的磨損。因此，鈦合金切削時切削速度過高，會加快刀具的磨損，刀具不鋒利后，切削力和切削熱會隨之增大，導致加工殘余應力增大。

進給量主要依據零件的加工精度及表面粗糙度要求來選擇，表面粗糙度能從側面反映出切削狀況，看進給量及切削速度是否選擇合適，因此我們通過檢查表面粗糙度作為參考，看精加工時進給量及切削速度選擇是否合適匹配。通過查詢資料，給出了輪廓高度最大值的參考公式[5]:

式中：Rmax為已加工表面輪廓高度最大值；f為進給量；rε為刀尖圓弧半徑。從參考公式可看出車削的表面粗糙度與進給量及刀尖圓弧有關。我們通過用φ30棒料鈦合金（TC11），車加工外圓，檢查表面粗糙度，來驗證表1的正確性， 選用參數為：切削深度為0.15 mm，刀尖半徑為R0.4 mm，試驗數據如表1所示。從試驗數據可看出，刀尖半徑及切削深度確定后，隨著進給量的減少，零件表面粗糙度精度等級提高，但是切削速度的提高對表面粗糙度影響不大。

表1 切削速度、進給量與表面粗糙度試驗數據

最終通過以往加工經驗及試驗，我們給出了此零件的加工參數。

切削速度：粗加工及半精加工時采用40～45 m/min。精加工時采用50～55 m/min。帶內花鍵的薄壁傳動軸，設計基準面表面粗糙度為Ra1.6 μm和Ra0.8 μm，進給量：粗加工及半精加工時為0.25～0.30 mm/r；在精加工時為0.1～0.2 mm/r，最后3次進給量不超過0.05 mm。切削深度依據機床、工件和刀具的剛度進行選擇，切削深度越大，切削力就越大，所需的工件夾緊力也越大。根據經驗，車削時，粗加工一般為1～2 mm， 半精加工為0.5～1.0 mm，精加工為0.1～0.2 mm。

3.3 冷卻液

鈦合金車削時，需全過程使用冷卻液，不僅可以降溫，還可以起到潤滑和沖洗帶走切屑的作用，這樣就減少切削熱及切削力，減少殘余應力。

4 試加工

我們用最終確認的裝夾方法、工藝路線及切削參數進行試加工。在半精車內腔時，選用的切削三要素為：切削速度為40 m/min，進給量為0.25 mm/r，切削深度為0.7 mm。加工里面孔和槽時出現了振刀現象，零件表面出現波紋狀。分析產生振刀原因為：零件內孔深，車削加工用的刀桿是一種加長的刀桿，刀具懸伸長。目前解決的辦法主要有兩種：一種是采用加粗的刀桿；另一種就是采購專用的減震刀具進行零件的加工，減震刀桿的結構是在刀桿內安裝吸振彈簧，屬于專用工具。這兩種方法都需要重新購買刀具，對于新機試制，生產件數較少，經濟性不高。我們想到了在刀柄上纏上軟膠皮，起到減震的作用的方法。

產生振刀的另一個主要原因是：切削速度高，切削深度大，切削力大，導致刀具剛度不足而產生振刀。我們在刀柄上纏上軟膠皮，通過慢慢調整切削速度及切削深度，最終調整切削速度為30 m/min，切削深度為0.5 mm，進給量為0.25 mm/r，振刀明顯改善。

表2 三坐標實測值

最終零件加工的工藝路線為：毛坯→粗車輪廓→車工藝凸臺→半精車輪廓→熱處理去應力→精車工藝凸臺→精鏜內腔一端基準孔→精鏜內腔另一端基準孔→插一端內花鍵→插另一端內花鍵→清理內腔毛刺→以兩端基準孔定位粗加工去除工藝凸臺→以兩端基準孔定位精車外圓輪廓→銑槽及鉆孔→去毛刺→磨外圓及端面→最終檢驗→鍍鎳。

用此方法后續又加工了8件零件， 有效地控制了零件變形，未發生因變形引起的零件幾何尺寸及圓柱度、跳動不符合設計要求的現象。放置2個月后測量，也未發生因變形引起的零件幾何尺寸及圓柱度、跳動不符合設計要求的現象。

5 結論

經驗證，用上述的工藝裝夾、工藝加工路線及工藝切削參數，有效控制了零件變形，保證了零件質量，提高了加工效率，可作為此類零件加工的參考。