高壓渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤加工工藝改進(jìn)

1序言封嚴(yán)盤是發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的關(guān)鍵零件，工作時(shí)處于高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，對(duì)高溫下的機(jī)械性能具有很高的要求。封嚴(yán)盤材料為高溫鎳基合金，硬度≥39HRC，加工難度很大。2零件結(jié)構(gòu)圖1所示封嚴(yán)盤形狀復(fù)雜，是我公司承接美國(guó)GE公司生產(chǎn)的CFM56-5/-6發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的一個(gè)關(guān)鍵零件。其最大外徑為592.17mm，中空部分最小內(nèi)徑為184.4mm，總高62.88mm，最小壁厚1.52mm，零件腹板前后各有一個(gè)定位止口，輻板中央部位有均布的48個(gè)異形孔，用于連接高壓渦輪轉(zhuǎn)子前軸和高壓渦輪盤。零件外圓處有3個(gè)依次增高的封嚴(yán)篦齒，其下方有1個(gè)單獨(dú)的斜形較長(zhǎng)的封嚴(yán)篦齒，它們共同組成4層空氣封嚴(yán)。上下兩組封嚴(yán)齒之間有一組均布的72個(gè)異形孔供螺栓通過(guò)，用于連接外封嚴(yán)隔圈。80個(gè)異形斜槽均布于零件上端凹槽部位，其作用為葉片保持。其他型面多為各種斜面、錐面和圓弧，導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。a)零件前端b)零件后端圖1封嚴(yán)盤3零件精度分析由于封嚴(yán)盤與多個(gè)零件組裝，配合尺寸多，因此精度要求很高。封嚴(yán)盤零件幾何尺寸如圖2所示，左右兩個(gè)定位止口的尺寸均為φ（377.469±0.025）mm，相當(dāng)于IT7級(jí)精度；四個(gè)封嚴(yán)齒的外徑在噴涂前的公差均為±0.025mm，相當(dāng)于IT6級(jí)精度；定位止口、四個(gè)封嚴(yán)齒及輪轂內(nèi)孔對(duì)基準(zhǔn)面的跳動(dòng)要求均為0.025mm；定位輻板左右端面平行度要求0.05mm；52個(gè)螺栓孔的位置度要求φ0.1mm；要求零件定位止口的表面粗糙度值Ra=1.6μm，其余面的表面粗糙度值Ra=2.3μm?？梢娫摿慵某叽缇?、位置精度和表面粗糙度要求都很嚴(yán)，屬于高精度零件。圖2

封嚴(yán)盤幾何尺寸4加工工藝4.1車削加工工序安排零件的加工余量如圖3所示，由零件余量圖可以看出的加工余量較大，該零件壁厚由內(nèi)而外逐漸變薄，在加工中薄壁處容易變形，零件輻板最薄處為2.41mm，內(nèi)外錐面處的壁厚僅為1.52mm。加之零件材料切削抗力大，導(dǎo)致致加工變形嚴(yán)重，深度尺寸和壁厚尺寸極易超差?？紤]以上因素在編制工藝規(guī)范時(shí)，我們首先考慮的是如何控制零件翼型結(jié)構(gòu)的變形，根據(jù)零件特點(diǎn)確定粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段，零件按階段依次進(jìn)行加工，有利于釋放內(nèi)部應(yīng)力，消除或減少變形對(duì)精度的影響。采用多工序去除余量，將零件的變形分擔(dān)到各工序，在后續(xù)工序加工中消除變形。圖3零件加工余量示意4.2鉆銑加工工序安排該零件共有兩組圓周孔，且均為異形孔，在粗鉆孔后，必須進(jìn)行銑削加工，以達(dá)到工藝要求。零件銑削加工部位如圖4所示。內(nèi)外兩圈孔分屬兩個(gè)級(jí)別，即外圈72個(gè)孔為CL-B級(jí)，內(nèi)圈孔為CL-C級(jí)。GE公司要求CL-C級(jí)孔必須控制扭力。兩級(jí)異形孔處厚度近20mm，加工難度高，效率低。圖4

零件銑削加工部位端面槽底部為圓弧型面，與零件端面成一定角度并與兩側(cè)邊有倒圓，因此所用刀具應(yīng)為成形刀。在加工中為保證零件的型面正確，刀具應(yīng)與底面垂直?，F(xiàn)有三坐標(biāo)加工中心不能滿足零件的加工要求。至少應(yīng)采用五軸加工中心進(jìn)行精加工。在確定加工方法后，按工序集中的原則組成兩道鉆銑加工工序，即孔的加工和槽的加工。這樣可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，減少設(shè)備數(shù)目、夾具數(shù)目及工件安裝次數(shù)，縮短運(yùn)輸路線，有利于保證位置度，充分發(fā)揮數(shù)控加工中心的生產(chǎn)效率。4.3工藝流程編制工藝流程如下：粗車前端→半精車后端→半精車前端及封嚴(yán)齒→車基準(zhǔn)→精車前端→精車后端→孔加工→半精車內(nèi)錐面→銑削加工→精車前端錐面→精車封嚴(yán)齒→噴丸等→精車后端止口→精車前端止口。共12道車削加工，2道鉆銑加工，期間穿插其他輔助工序，如標(biāo)記、鉗工、熒光檢測(cè)、噴丸及噴涂等。5調(diào)整加工工藝路線在試制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)粗車后端、半精車前端以及精車后端和前端工序后，零件定位圓有0.10～0.17mm的變化（與機(jī)床上測(cè)量對(duì)比），軸向圓跳動(dòng)＜0.03mm。經(jīng)過(guò)原因分析后，我們決定做出以下調(diào)整：1）取消“粗車后端”，將該工序余量合并到“半精車前端及封嚴(yán)齒”工序，一并去除，節(jié)省了粗車保尺寸的工步，合并了半精車去余量工步，免除了一次裝夾工作，使用陶瓷刀加工后，加工時(shí)間減半。2）將半精車內(nèi)錐面、精車后端錐面和精車前端錐面3道工序合并為精車內(nèi)外錐面，將分散在3道工序的余量合并到一起加工，翼型部分和型面部分的壁厚在一道工序保證，可以保證較好的壁厚均勻度，一般變化量≤0.05mm。同時(shí)保證葉片保持環(huán)部分的尺寸和形狀特性，加工難度明顯降低。原試制3道工序分別加工的部位如圖5所示，工序合并后的加工部位如圖6所示。a)半精車內(nèi)錐面b)精車后端錐面

c)精車削端錐面圖5原3道工序分別加工的部位圖6工序合并后的加工部位3）在實(shí)際銑削加工中，由于一組異形孔較厚，要求刀具具有較高的強(qiáng)度，安裝長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，但是由于零件結(jié)構(gòu)問(wèn)題，兩組孔不能在一道工序中一起加工，因此分成兩道精銑孔加工程序。同時(shí)考慮各工序加工時(shí)間的匹配問(wèn)題，將較厚的異形孔的加工分開，將鉆孔安排在一道工序中進(jìn)行，精銑成形與另一組孔的倒角在一道工序中進(jìn)行如圖。改動(dòng)后的工藝路線為：半精車后端→半精車前端及封嚴(yán)齒→精車前端→精車后端→鉆、擴(kuò)、銑72個(gè)孔→精車內(nèi)外錐面→鉆孔和銑凸臺(tái)→銑前端孔、倒角→銑80個(gè)槽、48個(gè)孔倒角→精車封嚴(yán)齒→中檢→熒光檢驗(yàn)→噴丸→精車前端止口→精車后端止口→噴涂→成品檢驗(yàn)→疊加投影→入庫(kù)。

6夾具的調(diào)整與合并在試制加工中發(fā)現(xiàn)，由于選擇了合理的加工參數(shù)和刀具型號(hào)，零件變形較小，在正常變形范圍以內(nèi)，過(guò)定位在加工中作用極小，調(diào)整工藝后將半精車后端、半精車前端及封嚴(yán)齒及精車前端工序夾具合并成一個(gè)夾具，夾具通用性強(qiáng)，減少了夾具的種類，易于管理和使用。夾具的調(diào)整如圖7所示。圖7夾具的調(diào)整7車削加工工藝改進(jìn)7.1刀具的改進(jìn)合并工序后，半精車工序給精車留1mm余量。加工中使用RCGX120700WG300型陶瓷刀去除大部分余量，采用直徑9.52mm的RCGX090700EWG300陶瓷刀片替代原方案所使用的硬質(zhì)合金刀片。加工效率明顯提高，加工時(shí)間減少3～4h。7.2加工程序的改進(jìn)為最大限度地利用陶瓷刀具的切削刃，采用雙向往復(fù)的切削方法進(jìn)行加工，進(jìn)給路線如圖8所示。這樣可以充分利用刀片兩側(cè)切削刃，減少局部磨損。圖8

進(jìn)給路線8銑削加工工藝改進(jìn)高壓渦輪轉(zhuǎn)子封嚴(yán)盤2116M20P02零件上有2組異形孔，1組由72個(gè)P11TF12-B級(jí)異形孔組成，1組由48個(gè)P11TF12-C級(jí)異形孔組成。另外，在后端面還有1組由80個(gè)異形斜槽組成，這些結(jié)構(gòu)需銑削加工完成。銑削部位加工要求如圖9所示。圖9銑削部位加工要求8.1工藝難點(diǎn)分析根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工尺寸要求，經(jīng)分析有以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。（1）48個(gè)異形孔的加工在現(xiàn)有三坐標(biāo)加工中心上加裝扭力監(jiān)控裝置（見圖10），以滿足對(duì)P11TF12-C級(jí)孔的加工進(jìn)行控制的要求。在夾持刀具的主軸上安裝扭力感應(yīng)器，通過(guò)特殊轉(zhuǎn)換裝置，將扭力值轉(zhuǎn)換為電壓值，并傳送到監(jiān)控器中。監(jiān)控器通過(guò)數(shù)據(jù)分析并和設(shè)定值對(duì)比，來(lái)決定繼續(xù)加工監(jiān)控或停止加工報(bào)警。對(duì)監(jiān)控裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)，證明其電壓值和扭力值的換算關(guān)系滿足要求。圖10加裝扭力監(jiān)控裝置48個(gè)異形孔原先的加工工藝為：鉆→粗銑→精銑。使用Y330硬質(zhì)合金鉆頭，加工參數(shù)為按每次6mm進(jìn)行啄鉆，轉(zhuǎn)速為600r/min，進(jìn)給量為0.06mm/r。但是由于零件材質(zhì)太硬，鉆頭材料晶粒太細(xì)，每鉆12～16個(gè)孔就必須換刀。后經(jīng)大量試驗(yàn)，將鉆頭材質(zhì)改為K35硬質(zhì)合金，將加工參數(shù)優(yōu)化為每次4mm進(jìn)行啄鉆，轉(zhuǎn)速為450r/min，進(jìn)給量為0.06mm/r，可滿足鉆26～30個(gè)孔換刀。另外，經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)，將鉆孔后的粗銑工藝更改為擴(kuò)孔，每個(gè)零件的加工時(shí)間至少減少了30min。同樣，對(duì)于精銑，由于受異形孔圓弧R影響，只能使用φ7.4mm銑刀進(jìn)行加工?？咨顬?8mm，轉(zhuǎn)速為400r/min，進(jìn)給量為0.15mm/r，深度方向一次銑削讓刀嚴(yán)重。后經(jīng)大量試驗(yàn)，將加工參數(shù)優(yōu)化為轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給量為0.10mm/r，深度方向可一次銑削到位，且無(wú)讓刀問(wèn)題。每個(gè)零件的加工時(shí)間至少減少了45min。48個(gè)異形孔屬于C級(jí)孔，在實(shí)際加工過(guò)程中常產(chǎn)生積屑瘤，嚴(yán)重影響零件質(zhì)量。積屑瘤一般是由于材料粘連造成的，是工件材料受壓后焊在了切削刃上。當(dāng)材料有化學(xué)親和性，壓力和溫度足夠高時(shí)，積屑瘤會(huì)發(fā)生在切削區(qū)域。最終積屑瘤會(huì)脫落并同時(shí)帶走一些刀片材料，導(dǎo)致刀片崩刃和后刀面快速磨損。圖11為異形孔斷面圖。對(duì)于本零件來(lái)說(shuō)，一方面由于異形孔深度較深，排屑不暢，使孔壁受到擠壓；另一方面因考慮成本因素，多使用修磨刀具進(jìn)行加工，刀具刃口不鋒利，所以異形孔壁表面加工質(zhì)量較差，易產(chǎn)生積屑瘤。最初考慮從以下幾個(gè)方面解決積屑瘤問(wèn)題：①使用涂層刀具。②提高切削速度或增加進(jìn)給量。③正確使用切削液，增加切削液濃度。④改進(jìn)加工程序。但是考慮到成本因素，使用涂層刀具會(huì)增加生產(chǎn)成本，同時(shí)該48個(gè)孔有C級(jí)孔加工要求，所以程序參數(shù)不能更改，只能從改進(jìn)加工程序上考慮改變加工路線。圖11異形孔斷面改進(jìn)前程序采用逆銑加工，如果用修磨刀具進(jìn)行加工，孔壁表面質(zhì)量不好，易產(chǎn)生積屑瘤，而采用新刀具則加工成本較高。分析零件結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，選擇采用順銑加工，解決了積屑瘤問(wèn)題。通過(guò)以上改進(jìn)，提高了異形孔加工質(zhì)量，孔壁表面質(zhì)量大幅提高，沒(méi)有積屑瘤產(chǎn)生，且修磨后的舊刀就可完成加工，降低了生產(chǎn)成本，保證了零件質(zhì)量和正常交付。（2）72個(gè)P11TF12-B級(jí)異形孔的加工圖12所示為72個(gè)P11TF12-B級(jí)異形孔的形狀。加工時(shí)，替換掉原來(lái)使用的φ6mm、φ8mm整體硬質(zhì)合金銑刀，改為使用某公司的氮鋁化鈦涂層刀具，將加工參數(shù)提高到原來(lái)的2倍。換刀點(diǎn)由原來(lái)的12孔增加到現(xiàn)在的36孔，通過(guò)加長(zhǎng)切削刃長(zhǎng)，一把刀具可完成72個(gè)孔的加工，提高了刀具壽命，降低了綜合成本。圖1272個(gè)P11TF12-B級(jí)異形孔的形狀改進(jìn)加工方法，由原來(lái)工步的粗鉆孔→粗銑型孔輪廓→精銑型孔輪廓，改為粗鉆孔→左右锪孔→粗銑型孔輪廓→精銑型孔輪廓。同時(shí)在加工中采用順銑方法，減少抗力，提高表面加工質(zhì)量，雖然增加了工步，但由于使用涂層刀具，提高了切削參數(shù)，總體時(shí)間約8h，減少45%。考慮到零件異形孔比較深，抗力大，最初使用ER32刀柄，但刀具懸伸量大，剛性不足，讓刀嚴(yán)重，改用ER25規(guī)格的刀柄，刀柄直徑只有28mm，夾持刀具的懸伸量大大減少，減小了刀具的振動(dòng)，提高了銑削系統(tǒng)（機(jī)床主軸、夾持刀柄及銑削刀具）整體剛性，這也是可以增加刃長(zhǎng)的一個(gè)原因。（3）80個(gè)異形斜槽的加工經(jīng)過(guò)多次精密計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最后通過(guò)采用普通三坐標(biāo)加工中心加轉(zhuǎn)頭，再利用萬(wàn)能角度頭的組合，實(shí)現(xiàn)了加工端面異形斜槽的功能。圖13所示為彎頭加工。圖13彎頭加工由于80個(gè)異形斜槽位于細(xì)長(zhǎng)的薄壁面上，剛性極差，最開始的夾具支撐為點(diǎn)式支撐（見圖14），改進(jìn)后的夾具支撐為面支撐（見圖15），極大地改善了零件在此處的加工剛性，基本解決了加工振刀問(wèn)題。

圖14點(diǎn)式支撐圖15面支撐另外，為了加強(qiáng)剛性，提高零件加工效率，將銑刀總長(zhǎng)從80mm減少到50mm，將粗銑從彎頭加工改進(jìn)為三坐標(biāo)主軸加工。三坐標(biāo)主軸粗銑如圖16所示。圖16三坐標(biāo)主軸粗銑通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)，提高材料去除率，該工序的加工時(shí)間從16h降低到10h。9端面槽加工改進(jìn)端面槽如圖17所示，在每次加工完成后，R0.1