航空發(fā)動機鼠籠彈支軸承彈性支承內(nèi)徑面的工藝改進

褚劍陽，王明軍，趙志國，劉強，孔瑞樂

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

1 原工藝存在的問題

鼠籠折返式彈性支承軸承應(yīng)用于新一代航空發(fā)動機渦輪，其外圈設(shè)計有異形安裝邊及鼠籠式彈性支承（鼠籠彈支梁）結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，材料為高溫滲碳鋼G13Cr4Mo4Ni4V，具有良好的耐沖擊性能，彈性支承非滲碳部位大內(nèi)徑面熱處理后要求硬度為42 ～ 48 HRC。支承內(nèi)徑面與軸承外徑面在銑削加工時形成一個腔體，其集成結(jié)構(gòu)可輔助建立軸承腔內(nèi)的潤滑油流路，確保潤滑油按設(shè)計狀態(tài)冷卻、潤滑軸承和密封，同時抑制軸承工作時的振動［1?5］。

圖1 鼠籠折返式彈性支承軸承外圈結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of outer ring of returnable squirrel-cage elastically-supported bearing

采用避空銑刀銑削鼠籠折返式彈性支承大內(nèi)徑面示意圖如圖2所示，粗實線部分為加工部位，為保證加工精度，精加工安排在熱處理后。軸承外圈內(nèi)腔最小寬度為12.5 mm，開口寬度為17 mm，彈性支承內(nèi)徑面設(shè)計有45°內(nèi)臺階與腔底圓弧（圓弧半徑為2 mm）連接，因此原工藝采用直徑10 mm、刀尖圓弧半徑2 mm、避空臺階設(shè)計為45°斜坡的避空銑刀，為使銑刀具有足夠的切削懸深與剛性，需確保銑刀長度。

圖2 避空銑刀銑削彈性支承大內(nèi)徑面示意圖Fig.2 Diagram of milling large inner diameter surface of elastic support with avoidance type milling cutter

基于hypermill軟件的銑削加工編程：

1）在UG 草圖中繪制工件截面，沿軸線旋轉(zhuǎn)草圖后得到實體模型。繪制草圖選擇xOz平面為基準面，工件腔體開口朝x正方向，便于后期自動編程時建立加工坐標系MCS，減少三軸加工自動編程坐標系的轉(zhuǎn)換。編程的工藝基準與設(shè)計基準重合，便于產(chǎn)品加工。

2）將實體模型轉(zhuǎn)換為igs 或step 格式文件（igs格式文件易損失，step格式文件穩(wěn)定性較好）。

3）基于Hypermill 軟件選擇轉(zhuǎn)換格式的文件，建立工單，設(shè)置刀具直徑或繪制刀具幾何形狀生成刀具。避空銑刀比傳統(tǒng)銑刀長，為減少切削系統(tǒng)共振對產(chǎn)品精度、刀具使用壽命的影響，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1800 r/min左右，進給量為80 ～ 100 mm/min。

4）選擇所加工的輪廓、頂點、底點。

5）根據(jù)刀具運行軌跡設(shè)置刀具在所加工輪廓的左側(cè)或右側(cè)；選擇補償路徑以便于后期尺寸精度的調(diào)整，垂直步距為刀具直徑系數(shù)，熱處理后經(jīng)驗值為每層0.20 ～ 0.30 mm；通過偏置量（經(jīng)驗值為直徑方向0.1 mm）設(shè)置側(cè)壁粗精銑的留量及頻次；安全余量中可設(shè)置底面留量0.1 mm；三軸銑削退刀模式選擇安全距離（有別于安全平面）以減少進退刀的空行程。

6）進退刀選擇1/4 圓，注意進退刀圓角長度不與工件干涉。

7）計算生成刀路，經(jīng)軟件處理后生成數(shù)控程序在機床上加工。

銑削加工的彈性支承大內(nèi)徑面的內(nèi)徑變動量Vdsp、平均內(nèi)徑變動量Vdmp、對端面傾斜度的變動量SD、對外表面的厚度變動量Kd以及表面粗糙度Ra值見表1：平均內(nèi)徑變動量Vdmp和表面粗糙度Ra值已超出工藝要求。此外，工件表面有明顯銑削刀痕；銑刀磨損嚴重需更換，單件產(chǎn)品銑削需2 ～ 3把銑刀，換刀后易留下接刀痕；單件產(chǎn)品加工需8 h，效率低。

表1 彈性支承內(nèi)徑面銑削與車削加工精度對比Tab.1 Comparison of milling and turning accuracy of inner diameter surface of elastic support

2 工藝改進

對于回轉(zhuǎn)體工件，車削加工效率以及精度均優(yōu)于銑削，因此考慮采用車削代替銑削。現(xiàn)有車刀與腔體最小寬度相當，易發(fā)生干涉，在不改變工藝流程的前提下，通過改進刀具來實現(xiàn)工件加工：

1）選擇主偏角95°的內(nèi)圓車刀（鏜孔刀）加工彈性支承內(nèi)徑面下半部分，為保證刀具壽命，選擇刀尖半徑為0.8 mm。現(xiàn)有主偏角95°內(nèi)圓車刀的刀桿高度為12 mm，刀尖到刀體的距離為2.5 mm，整刀高度與腔體最小寬度（12.5 mm）干涉，腔體內(nèi)臺高度為23.5 mm，故需將刀體頭部銑削長25 mm、深3 mm 的臺階以讓過外圈腔體23.5 mm的內(nèi)臺，如圖3所示。

圖3 主偏角95°的內(nèi)圓車刀結(jié)構(gòu)改進Fig.3 Structural improvement of turning tool with a cutting edge angle of 95°

2）主偏角95°內(nèi)圓車刀的副切削刃與工件干涉，無法加工彈性支承內(nèi)徑面頂部45°臺階，故選擇主偏角60°的內(nèi)圓車刀（圖4）加工彈性支承內(nèi)徑面上半部分。車刀總長度的選擇以滿足產(chǎn)品加工時間越短越好；切削用量工件轉(zhuǎn)速為100 ～ 200 r/min，進給量為0.1 mm/r 左右。為保證加工精度和外觀質(zhì)量，實際加工分粗、精加工，粗加工刀具運行軌跡為徑向分層軸向車削，每層約0.2 ～ 0.3 mm，精加工余量約為直徑方向0.1 mm。

由于車刀的刀桿與腔內(nèi)間隙有限，底部圓弧部位仍用避空銑刀銑削加工，但銑削路徑已大大減小。

改進后先車削后銑削的定位示意圖如圖5所示。改進后工藝優(yōu)點：1）銑削時主要受徑向力，長懸深工況下銑刀易偏擺共振，車內(nèi)圓（鏜內(nèi)孔）時刀具主要受軸向力，軸向力與工件反作用力方向相反相互抵消。2）改為自修內(nèi)圓車刀車削后，可通過調(diào)整程序、刀補盡可能減小和減少接刀痕。

圖5 改進后工藝的定位示意圖Fig.5 Positioning diagram of improved process

3 實際加工效果

采用改進后工藝加工的彈性支承內(nèi)徑面加工精度見表1，各項技術(shù)指標均滿足工藝要求，且加工精度得到提高，產(chǎn)品外觀（切削）紋路更均勻。改進后單件產(chǎn)品加工不到3 h，比原銑削加工時間減少了65%；通過自修車刀，整批14件產(chǎn)品降低銑刀成本上萬元。該產(chǎn)品的試制也為類似產(chǎn)品的工藝設(shè)計提供了參考。