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航空鼓筒軸精密加工零件加工工藝
02-10-2023

航空鼓筒軸精密加工零件加工工藝

對航空鼓筒軸零件材料及結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析,通過陶瓷刀具的應(yīng)用改進(jìn)、裝夾方式的改進(jìn)以及參數(shù)化防誤程序的應(yīng)用,提升了車削加工質(zhì)量與效率;通過涂層刀具的應(yīng)用以及加工參數(shù)的優(yōu)化,解決了法蘭面“花邊”銑削難題,同時有效降低了刀具使用成本,提升了鼓筒軸零件整體加工效率。

1  序言

高壓渦輪是航空發(fā)動機關(guān)鍵部件之一,高壓渦輪鼓筒軸聯(lián)接著高壓渦輪和高壓壓氣機,是傳遞發(fā)動機扭矩的主要部件[1]。鼓筒軸在航空發(fā)動機聯(lián)接位置如圖1所示。

鼓筒軸工作條件較為惡劣,它承受著極復(fù)雜的外載荷,包括扭矩、彎矩、軸向力、橫向力和振動等[2]。航空鼓筒軸屬于薄壁空腔結(jié)構(gòu)零件,整體剛性差,加工余量較大,加工效率低,同時加工精度要求高,加工過程易變形及產(chǎn)生振刀問題,加工工藝性差,屬于薄壁弱剛性零件。

2  零件材料特性及結(jié)構(gòu)特征

2.1 材料特性

高壓渦輪鼓筒軸材料為Inconel 718(GH4169)合金,是一種時效沉淀強化型鎳基高溫合金,被廣泛用于制造噴氣發(fā)動機的渦輪盤、渦輪軸、軸頸、封嚴(yán)環(huán)和葉片等高溫部件[3]。作為一種難加工材料,Inconel 718合金具有導(dǎo)熱性較差、加工硬化嚴(yán)重和易粘刀等特點,易造成切削加工性差、刀具使用壽命短及加工表面質(zhì)量差等問題。

Inconel 718(GH4169)高溫合金材料的主要成分為鎳,其鎳含量為50%~55%,其余主要元素為Fe、Cr和Nb等。它是以體心立方晶格Ni3Nb(γ" )和面心立方晶格Ni3Al、Ni3Ti和Ni3Nb(γ′)強化的鎳鐵基合金(通常稱為鎳基合金),從低溫到700℃以下具有高的屈服強度、拉伸強度和持久強度[4]。Inconel 718(GH4169)高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度,抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650℃高溫下,其力學(xué)性能具有很好的穩(wěn)定性,能夠在600~1200℃承受一定的工作壓力。但是Inconel 718(GH4169)高溫合金切削加工性較差,具體表現(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈、加工硬化、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重及排屑困難等[5]。典型Inconel 718高溫合金化學(xué)成分見表1。

Inconel 718(GH4169)高溫合金與其他工程材料的切削加工性比較如圖2所示,相比于其他材料,GH4169合金材料的切削加工性能偏低,屬于難加工材料[6]。鎳基高溫合金切削加工的主要問題表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)切削力較大,一般為加工鋼材的1.5~2倍。

2)切削溫度高,在相同條件下,切削溫度約為45鋼的1.5~2倍。

3)刀具磨損嚴(yán)重,機械磨損、粘結(jié)磨損、擴散磨損和氧化磨損較嚴(yán)重,刀具壽命明顯降低。

4)加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,已加工表面硬度可達(dá)基體硬度的1.5~2倍。

5)切屑硬而韌,不易折斷,造成切削過程中切屑處理困難。

2.2 零件結(jié)構(gòu)特征

高壓渦輪鼓筒軸零件如圖3所示。高壓渦輪鼓筒軸前后端都帶有安裝邊,是一種典型的“花邊”結(jié)構(gòu)。同時,在沿著圓周方向上,花邊周圍分布著一圈螺栓孔,通過短螺栓分別與高壓壓氣機封嚴(yán)盤和高壓渦輪封嚴(yán)盤聯(lián)接。

鼓筒軸零件結(jié)構(gòu)如圖4所示,零件前端φ377.744mm外徑為徑向基準(zhǔn),即基準(zhǔn)B,前端面為軸向基準(zhǔn),即基準(zhǔn)A,平面度要求為0.025mm,前端分布48處R6.35mm“花邊”結(jié)構(gòu)。后端外徑為φ363.829mm,外徑相對于A、B基準(zhǔn)在自由狀態(tài)下的跳動要求為0.05mm,在約束狀態(tài)下的跳動要求為0.025mm。鼓筒軸零件中間部分壁厚僅為2.5mm,屬于典型的薄壁弱剛性結(jié)構(gòu)。

3  加工工藝方法

鼓筒軸零件主要加工工藝為車削、鉆孔和銑“花邊”,特種工藝主要有熒光檢查、噴丸和靜平衡等。

3.1 車削工藝改進(jìn)

鼓筒軸零件毛坯質(zhì)量約50kg,在零件最初開始試制時,粗車加工過程采用DNMG 150612-TF刀尖半徑為1.2mm的硬質(zhì)合金菱形刀片去除余量,效率低,生產(chǎn)周期長,不利于大批量生產(chǎn)。為了盡快轉(zhuǎn)變加工現(xiàn)狀,有效提高加工效率,縮短生產(chǎn)周期,嘗試采用美國綠葉公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶須增強型陶瓷刀具,它是用特種陶瓷粉末材料,采用科學(xué)配方,通過特殊生產(chǎn)工藝,使用現(xiàn)代化設(shè)備生產(chǎn)制造出來的。其特點為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)等,其切削加工效率為普通硬質(zhì)合金的3~9倍。陶瓷刀片(見圖5)為圓形,直徑為12.7mm。陶瓷刀車削特點是高轉(zhuǎn)速(200r/min),大背吃刀量(1~2mm)。

在使用陶瓷刀片初期,由于對其加工性能不夠了解,且陶瓷刀片脆性大,因此加工過程中易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量差等問題發(fā)生。經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗,最終確定加工參數(shù):切削速度為200m/min,進(jìn)給量為0.25mm/r,切削深度為2mm。同時在基于前期多輪試驗的基礎(chǔ)上,對陶瓷刀具的進(jìn)刀方式進(jìn)行調(diào)整,改進(jìn)后的陶瓷刀切削進(jìn)刀方式如圖6所示。進(jìn)刀時,采用斜向進(jìn)刀與直線進(jìn)刀交替進(jìn)行的方式,其最大優(yōu)勢是刀具每次切削時,切削刃與工件的接觸點在不斷變化,這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點的持續(xù)磨損,減小溝槽磨損的程度,減少換刀片的時間,同時也大大提高了刀具的使用壽命。

在半精加工過程中,特別是在內(nèi)型面車削時,最初采用陶瓷刀去余量,之后采用硬質(zhì)合金刀具清根。但是由于在實際加工過程中,操作人員需要頻繁換刀、對刀,不利于加工效率的提升,因此對加工方式進(jìn)行改進(jìn),具體方式是,在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后,不再采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行清根處理,而是繼續(xù)采用陶瓷刀具進(jìn)行清根,大大縮短了換刀、對刀時間,加工效率也得到進(jìn)一步的提升。

在精車加工試制過程中,由于鼓筒軸零件結(jié)構(gòu)特點是壁?。ㄗ钚”诤?.54mm),零件裝夾后懸伸較長(前后端總長約251mm),屬于典型的弱剛性結(jié)構(gòu)。因此,加工過程中不可避免地出現(xiàn)振刀問題,進(jìn)而造成零件局部變形,同時出現(xiàn)車削后零件壁厚不均勻現(xiàn)象,滿足不了圖樣的表面粗糙度要求,以及沿著圓周方向壁厚變化量不能超過0.076mm的技術(shù)要求。針對這一問題,嘗試采用多種方法,比如優(yōu)化切削參數(shù)、調(diào)整走刀方式等,但實際效果并不明顯。考慮到零件在經(jīng)過粗加工、半精加工后,大部分余量已經(jīng)去除,零件壁厚逐漸減薄,加之懸臂過長,車削過程中整體剛性減弱,尤其是內(nèi)壁加工處基本屬于空腔結(jié)構(gòu),車削過程中振刀問題隨之產(chǎn)生,于是嘗試采用在零件外側(cè)纏繞橡膠繩套的方案,能夠有效增加零件懸臂剛性,降低車削過程中的“共振”現(xiàn)象,從而基本消除車削振刀問題,最終表面粗糙度及壁厚變化量均滿足技術(shù)要求。

在車削加工裝夾方式方面,粗車外形加工過程中,因為零件毛料為筒狀環(huán)形結(jié)構(gòu),因此最初加工時考慮到裝夾的穩(wěn)定性與可靠性,采用單動卡盤進(jìn)行外圓定位裝夾,但是在實際加工過程中發(fā)現(xiàn),采用這種裝夾方式,因為單動卡盤不具有自定心功能,所以每一個卡爪都需要單獨裝夾,然后再逐個調(diào)節(jié)找正定心,比較耗費時間,尤其是在有一定批量的生產(chǎn)過程中,這種裝夾方式效率低,浪費了不少不必要的裝夾準(zhǔn)備時間。為此,考慮嘗試采用自定心卡盤進(jìn)行裝夾定位,因為自定心卡盤具有自定心功能,所以零件裝夾后能夠很快實現(xiàn)裝夾定位及找正,可節(jié)省不必要的輔助準(zhǔn)備時間,有效提高加工效率。經(jīng)過實際測算,采用自定心卡盤定位較單動卡盤定位每個零件節(jié)省裝夾時間約0.5h。

a)改進(jìn)前的單動卡盤   b)改進(jìn)后的自定心卡盤

此外,在鼓筒軸零件的車削加工過程中,由于采用的刀具種類較多,操作人員需頻繁換刀、對刀,這就需要操作人員根據(jù)刀片尺寸及加工余量,通過計算,在機床系統(tǒng)中人為輸入刀補值。但是在實際加工過程中,經(jīng)常因為人為因素輸錯刀補造成零件超差或報廢。基于此,為了盡量減少人為因素對零件加工質(zhì)量的影響,考慮采用參數(shù)化編程方式進(jìn)行程序防誤。參數(shù)化編程屬于自適應(yīng)加工的一種典型應(yīng)用,由于其特點是在參數(shù)化程序中設(shè)置變量,變量與變量之間可進(jìn)行邏輯運算,通過給參數(shù)變量地址中賦值,然后調(diào)用變量地址中的賦值進(jìn)行邏輯運算及邏輯判斷,因此,鼓筒軸零件參數(shù)化防誤程序就是根據(jù)工序余量安排,將零件加工前的外圓或內(nèi)孔的徑向及軸向理論尺寸與實際測量尺寸分別賦值給不同的參數(shù)變量,并使參數(shù)變量與數(shù)控程序中校刀防誤語句進(jìn)行邏輯結(jié)合,這樣操作人員在啟動加工程序后,按照已經(jīng)賦值的參數(shù)化防誤語句進(jìn)行校刀(見圖10)。如果之前在機床系統(tǒng)中輸入相應(yīng)參數(shù)變量的賦值有誤,那么在校刀過程中就會發(fā)現(xiàn)校刀距離過寬或者過窄,這樣操作人員就很容易發(fā)現(xiàn)問題,從而重新確認(rèn)之前參數(shù)的刀補賦值是否有誤,直到輸入正確的參數(shù)賦值后,校刀過程才能夠正常開展,數(shù)控加工程序才能夠正常向后運行,這樣就可避免因刀補輸錯進(jìn)而引起零件加工質(zhì)量問題的發(fā)生,有效保證了零件加工過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性。

參數(shù)化防誤程序如下。

3.2 銑削工藝改進(jìn)

鼓筒軸零件的銑削加工主要是前后端“花邊”銑削。法蘭面“花邊”尺寸技術(shù)要求如圖11所示。法蘭端面在沿圓周方向上分布48處R6.35mm的半圓形“花邊”。在實際銑削加工過程中,“花邊”的銑削去除余量較大,存在刀具崩刃及磨損嚴(yán)重的問題。精加工后銑削“花邊”的表面粗糙度也難以滿足技術(shù)要求。為了解決這一問題,從加工刀具及加工參數(shù)上進(jìn)行改進(jìn)。法蘭面“花邊”銑削加工改進(jìn)前后使用的刀具如圖12所示。改進(jìn)前采用φ11.8mm硬質(zhì)合金銑刀(未涂層),改進(jìn)后采用φ11.8mm硬質(zhì)合金涂層銑刀。

銑削刀具改進(jìn)的同時,在加工參數(shù)上也進(jìn)行相關(guān)切削試驗。未涂層與涂層硬質(zhì)合金銑刀加工參數(shù)對比見表3。通過刀具參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn),銑削加工效率得到一定的提升。改進(jìn)前“花邊”銑削時間為20min,改進(jìn)后約為15min。同時刀具消耗量明顯下降,改進(jìn)前銑削“花邊”需要消耗1支銑刀,刀具磨損較嚴(yán)重,零件表面質(zhì)量較差;改進(jìn)后的涂層刀具消耗量僅1/3支,也就是說,1支改進(jìn)后的涂層刀具可以完成3個零件的“花邊”銑削工作量,加工成本降低,同時零件“花邊”處的表面粗糙度完全滿足技術(shù)要求。

表3 未涂層與涂層硬質(zhì)合金銑刀加工參數(shù)對比

4  結(jié)束語

通過對航空鼓筒軸零件材料及結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析,對零件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。車削方面,分別進(jìn)行陶瓷刀具的應(yīng)用改進(jìn)、裝夾方式的改進(jìn)以及參數(shù)化防誤程序的應(yīng)用,提升了加工質(zhì)量與效率;銑削方面,著重解決“花邊”銑削時刀具的磨損及表面粗糙度問題,通過涂層刀具的應(yīng)用、銑削加工參數(shù)的優(yōu)化,有效降低了刀具使用成本,提升了零件整體加工效率。

參考文獻(xiàn):

[1] 黃嵩. 高壓渦輪軸安裝邊倒角低應(yīng)力設(shè)計方法[J]. 現(xiàn)代機械,2014(3):15-16.

[2] 黃嵩. 高壓渦輪軸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)低應(yīng)力設(shè)計方法研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

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本文發(fā)表于《金屬加工(冷加工)》2023年第1期64~68頁,作者:中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 梁永朝,張瀟,劉彥軍,原標(biāo)題:《航空鼓筒軸零件加工工藝》。