航空發動機高壓渦輪后軸加工工藝研究

羅興宇

（中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412000）

高壓渦輪后軸作為航空發動機的關鍵零部件，其加工質量直接關系到整機的性能及壽命。針對高壓渦輪后軸的結構及材質，需要選用與之相適應的高速立銑刀、立銑刀等刀具。為了保證產品的質量和使用壽命，必須控制產品的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。此外，對汽輪機尾軸的加工過程進行詳細規劃，包括工件裝夾、刀具軌跡規劃、機床調試等。分析與控制高壓渦輪后軸的加工工藝，可以提高后軸零件的質量和生產率，延長發動機壽命[1-2]。

1 渦輪后軸零件的加工工藝路線擬定

1.1 渦輪后軸零件的加工難點

某型航空發動機渦輪轉子元部件本體中的一個關鍵部件——高壓渦輪后軸[3]，結構非常復雜，包括空腔的淺角輻板、密封的格柵、高精度的內外螺紋、各種型面交錯的溝槽、高精度的孔以及小的深孔等。

后軸的較小端軸頸連接著軸承座，較大端法蘭連接著渦輪盤，大的內孔螺紋和管道總成裝配在一起。這些裝配部位的尺寸精度都有很高要求。以大法蘭內圓止口、法蘭端面為基準，軸頸端與軸承座的配合外周直徑為0.015 mm，圓柱度要求為0.008 mm，與基準A 面和B 面的跳動量為0.01 mm。大端限位器與渦輪盤配接，尺寸容差為0.022 mm，而大端外徑的容差為0.032 mm，基準A 面和B 面的跳動量為0.01 mm。在內孔上安裝管道總成，其尺寸誤差為0.025 mm。

除了對精度要求極高外，后軸的結構也極為復雜。大端部的淺角輻形曲面是一種非常復雜的曲面，開放性不好，在加工過程中很難觀測，容易產生刀具和夾具之間的干涉，從而使制造變得更加困難。軸頸孔具有多個階梯槽，其相對位置關系比較復雜。各槽槽型各不相同，相互間的角度關系也比較復雜，并且與徑向孔存在一定的相對位置關系。如果將槽群設置在工件內孔上，不但不易觀測，而且對加工工具的要求很高，需要定制特殊刀具[4]。

1.2 加工材料特性分析

本項目采用GH4169 型高溫合金作為主要材料，制作渦輪轉子、機匣、壁板等熱件。高溫合金具有優異的高溫強度、高疲勞強度、抗氧化能力，以及耐腐蝕能力強、韌性好、塑性好等特點，可以在600 ℃以上的高溫環境中承受較大應力。因此，該材料得到了廣泛應用，是當前航空航天領域的首選材料。目前，40%～60%的航空發動機部件是由高溫合金制成的，多分布在燃燒室和渦輪轉子上。高溫合金是航空航天領域的重要材料，在服役過程中既要耐高溫又要抗低溫，需要承受快速變化的溫度梯度、劇烈應力和高載荷等挑戰。

GH4169 是目前使用最多的一種高溫合金，具有如下特點：第一，具有優異的塑性和高強度，可在650 ℃以下使用；第二，切削能力是普通碳素鋼的1.5 倍；第三，熱導率低，在相同的切削速度和切削深度下，其切削溫度比45 鋼高50%～100%；第四，經過冷作強化處理后，該材料制成的工件表面會出現硬度比母材高出2～3 倍的淬火層。由于切削載荷大、加工溫度高、加工硬化現象嚴重、加工效率低下，加工GH4169 材料對刀具的要求非常高。同時，刀具在高溫下易分散和發生氧化磨損，嚴重降低了使用壽命。鑒于GH4169 的綜合性能和制造難度，對后軸零件加工工藝進行改進具有重要的現實意義。

1.3 渦輪后軸零件加工工藝路線規劃

在優化零件的加工工藝路線前，要根據零件設計圖紙，分析零件的結構、使用功能、技術條件、尺寸公差以及裝配關系等，全面認識零件的結構特點和制造難點，形成相應的加工基準和加工方式，制定合理的加工路徑。由于零件結構復雜、技術條件要求高、壁薄易變形，在工藝路線的安排上，要堅持先粗加工再精加工、粗精和精加工分離的基本原則，把加工劃分為幾個階段，并根據零件的結構特點進行加工余量分配，盡可能地使加工余量保持一致。工件具有多個曲面，且對曲面的定位精度要求很高，因此單次裝夾的定位精度應小于0.01 mm。加工制備時間較長，重復裝夾容易造成工件變形，降低工件品質，因此在精整過程中，應盡量選擇相同基準，運用工序集中原理，一次性完成多個曲面的裝夾，縮短加工時間。同時，合理安排各輔助工序，以保證零件的高質量和高效率加工。

2 加工工藝路線改進

機械加工過程的優化在于確定機械加工的先后次序時必須明確如何進行工藝安排。后輪軸壁厚為3～6 mm，是一種典型的薄壁厚構件，再加上其結構復雜，因此通常要進行多個工序的加工。原來的工藝流程按照粗、細、半精、精4 個步驟來執行。這樣的加工路徑盡管可以使余量均勻，減小變形，但由于階段劃分過細，加工工序繁多，需要大量加工設備和模具。此外，零件在各設備間頻繁流動，既增加了加工準備時間，又增加了生產壓力，導致零件加工周期長，增加了加工成本。

分析原有的工藝路線，精加工和粗加工是用同一種設備進行的，而精加工階段只是在粗加工的基礎上進一步消除了剩余量，使零件的余量分布更為均勻，從而降低零件變形。為此，可以在粗加工過程中細化加工工步，將粗、細2 個階段結合，實現切削參數均一化，并依據構件結構特點及尺寸精度需求，對加工余量進行再分配，實現粗、半精、精3 個階段的加工[5]。

在確定工藝環節后，還要考慮工藝的集中化與分散化。在組織加工過程時，往往把各加工因素集中到少數幾個過程來實現，從而得到更高的工藝條件和加工效率以及更低的生產成本，提升工藝穩定性。

由于零部件結構元素和設備的限制，有必要將加工工藝離散化。粗加工時，由于毛料余量較大，有不規則氧化皮，加工振動較大，通常在一般機床上進行加工。因此，粗加工階段的加工表面比較簡單，加工過程比較分散。如果加工表面復雜、加工精度高，則使用高精度、高剛性的數控裝備進行加工，以確保加工質量與效率。

在原來的加工方法中，精加工過程多、耗時長、質量不穩定。本項目擬將車銑復合工藝引入零件加工過程，基于車銑復合裝備的特征及零部件的結構特征，對工藝路線進行再優化，使得精加工過程更加集成，使加工表面與銑削加工表面盡可能集中于一道工序，減少加工步驟，縮短工藝路線。改進用于精整加工工裝的結構，取消后續的銑槽、鉆孔等工序所需的工裝，節約了成本。為解決小型深孔加工質量不高的難題，提出了采用槍鉆工藝取代傳統電加工工藝的方法，提高了加工效率和質量。

3 優化后的工藝路線分析與驗證

根據上述分析和設計圖的具體要求，對高壓渦輪后軸零件的加工工藝進行初步改造，改造后的工藝流程如圖1 所示。優化后的工藝路線在數控機床上實現，并采用分段加工方法。在加工前，對工件進行表面處理，包括去毛刺和控制表面粗糙度。在加工過程中，利用數控機床對工件進行加工，并采取合理的工藝方案和參數，確保零件的質量與精度。在粗磨階段，采用立式鉆床進行鉆孔、擴孔；在半精磨階段，采用立式銑削機對工件表面進行磨削加工；在精磨階段，采用立式鉆床在中心鉆孔。為了提高加工效率和生產節奏，采用自動更換刀具裝置。在車削階段，采用立式銑床或立式車床來車削零件中心孔。車削零件中心孔是一個非常重要的工序，需要采用專用刀具，保證工件的尺寸精度和表面質量。

圖1 改進后工藝路線

為了驗證新技術方案的可行性與可靠性，采用新的技術路線進行了試制。測量加工后的工件，發現工件的大端外圓偏差為0.015 mm，而標注值為0.010 mm；零件軸頸軸承座配合外圓周的粗糙度要求為0.800 μm，但實測的表面粗糙度為0.825～0.933 μm。經測量發現，工件在徑向發生了變形，造成工件跳動量超標。分析工件加工工藝發現，工件經過半精整后未得到充分釋放，產生了加工應力，因此要對半精整后的工件進行熱處理，以最大限度釋放殘余應力。

加工后的表面粗糙度達不到設計要求，零件軸頸配合面的粗糙度超差，因此在小端面上進行精加工后，再進行外圓加工。在確定工藝路線后，還要設計具體的工藝過程，確定每個工藝的具體位置及余量。在設計每道工序的具體加工內容前，先分析每道機加工序、輔助工序中的變形量，再根據各道工序對工件的余量需求決定具體余量。分析工件余量的方法主要有查表法、經驗估算法、解析計算法等。當前，各企業普遍采用經驗估算法，根據生產現場的實際狀況和有關測試結果來確定工件加工余量。

4 結語

在實際加工中，需要根據產品要求、材料性質等因素選擇合適的加工工藝，并進行必要的試驗和驗證，同時需要不斷改進和完善加工工藝，以提高加工效率和產品質量。