航空发动机关键转动部件加工技术

图1 典型转动零件结构简图

图1（b）为盘轴一体结构零件，是将传统的压气机盘和轴颈集成为一体的重要承力件，材料为TC17，大端是轮盘结构，具有轮缘、辐板、轮毂、盘心孔，轮缘上带有安装叶片的燕尾榫槽，辐板处有精密螺栓连接孔。零件轴颈端外型面带有螺纹、篦齿、外花键、径向斜孔等结构特征。盘轴一体结构零件的另一特点是轴颈锥璧与轮盘辐板形成了半封闭深型腔结构，加工工艺性差。

图1（c）为压气机后鼓筒零件，是由5个压气机盘通过惯性摩擦焊焊接组合而成，带有五级环形燕尾榫槽，辐板间内腔型面空间狭小，内腔根底部径向深度大、敞开性差、加工难度大，外型面结构复杂，尺寸精度高，技术条件要求严，后鼓筒材料为GH4169，硬度HB≥388N/mm2。

典型零件机械加工技术

1　高效车铣复合加工技术

盘、鼓筒、轴颈等回转类零件的复合加工，主要以车铣复合加工为主，其特点是以工序集中为原则，将车削、铣削、钻镗等加工合为一体，在一台加工设备上完成不同工序或者不同工艺方法的加工，特别适合于零件精加工阶段，在完成主要型面车削加工的同时，还可同步完成定位孔、联结孔、键槽、花边、花键等镗铣加工和滚齿加工，即通过一次装夹，完成车、铣、钻、镗、铰、攻丝、滚齿等多种加工要求，车铣复合加工可以减少零件定位装夹次数和找正时间，消除重复定位误差，减少工装数量、实现自动化、集成化加工，大幅度提高零件加工精度和加工效率。

以图1（b）中盘轴一体零件为例，零件除具有轮缘、辐板、轴身等回转表面外，还具有多处精密联结孔、径向斜孔、锁片槽、球头凹槽等特征，不但需要车削加工，而且还需钻、镗、铰加工和铣削加工。按传统的加工模式零件不仅需要在数控车床、坐标镗床、五坐标加工中心等多种设备上进行加工，而且需要经过多次车、铣、钻镗、孔边倒圆等共18道工序才能完成加工，涉及的专用工装数量多，需要多次重复装夹找正。而采用车铣复合加工技术，仅用二道工序通过二次装夹，即可完成传统工艺需18道工序加工的内容。

车铣复合加工中心适合于加工以车削为主，钻、镗、铣加工为辅的回转类零件加工。五轴车铣型复合加工中心具有的B轴摆动车削功能，特别适用于航空发动机一些结构复杂零件的半封闭型腔加工，如涡轮盘（见图1（a）），盘轴一体零件（图1（b））的深型腔加工。这类零件的主要结构特点是：辐板较长，型腔空间狭小，且径向深度大，盘心孔部位轴向开口宽度窄，加工中主要难点一方面是零件薄壁结构，加工中易受切削力影响产生加工变形，影响加工精度，另一方面深腔切削过程中刀具与零件易产生碰撞、干涉，甚至打刀，造成零件报废。为解决上述问题，除加工前进行模拟仿真，消除加工中的干涉外，同时需要设计满足深腔加工的非标专用刀具。半封闭深型腔在普通数控车床或车削中心上加工，需要三把非标刀具才能将整个型面全部加工完成，而应用车铣复合加工中心的B轴摆动车削功能，使铣削主轴头带动刀具同步摆动，刀具随着加工部位的形状不断地调整切削角度和运动方位，弥补了常规车削中刀杆固定不动的不足。在上述盘轴一体零件的深腔加工中只采用了一把高压内冷结构非标刀具，通过程序设计中应用了B轴摆动车削加工技术，实现了X、Z、B轴三轴联动车削，满足了半封闭深型腔加工需要，减少了接刀、换刀次数，保证了深腔型面轮廓的圆滑转接，提高了零件加工质量。

2　全程序无干预数控加工

全程序无干预数控加工技术，是将一道工序中的所有工步加工内容整合成为一段具有“人机交互”能力的数控程序，数控机床除了在工艺设计需要的计划停车点停车以外，工序的各个工步加工内容是按照一定的次序步骤连续不断地完成的，加工过程不需要人工干预，实现程序整体连续运行，一次启动完成加工，改变了传统的数控加工由操作者手工对刀、测量、上刀这种落后方式，增强操作系统的可靠性，消除加工中的误差，将加工、测量和补偿有效地融合在同一程序段中，实现由机床为过程执行主体的连续“无干预”加工模式，大大地减少了人为出错的机率和不必要的停车时间。

全程序无干预数控加工，需要对不同结构零件的加工工艺方案、加工步骤、走刀轨迹、切削速度、切削方式、进给量及刀具结构等工艺要素进行优化设计，确保工艺要素正确合理、完整可靠，同时必须使切削过程中充分冷却和有效地断屑，避免加工中断。例如在加工图1（b）中的盘轴一体结构零件深腔结构时，粗精车加工均采用带有高压内冷结构的专用刀具和车铣复合加工设备，采用机床自动对刀、换刀，模拟走刀轨迹，避免刀具与零件干涉，然后根据所编制的无干预数控加工程序，选定不同的刀板形式和机夹刀片、切削参数，按照所设计的加工步骤进行加工。首先采用垂直结构的刀板，安装4~6mm宽的切刀，进行粗开内腔和深扎内腔的加工，去除深型腔大部分余量，其次采用“倾斜”结构的刀板，安装圆头刀片，用轴向分层切削方式，完成内腔辐板的加工，然后更换为径向分层切削方式，完成深腔根部的加工，最后应用了B轴摆动车削加工技术和恒定线速度切削，完成深腔型面的精车加工。

传统的加工方式，零件尺寸精度依靠操作者上刀补值控制、受人为的影响因素大，尺寸公差离散度大，采用无干预数控加工规范了操作员的操作步骤和次序，最大限度地降低“人为干预”的错误机率，将诸多方面可能出现的问题和存在的风险进行了有效的规避，加工后的零件尺寸公差90%接近中差值，而且不同操作员加工零件的时间几乎一致，实现了标准作业时间。

3　盘鼓零件榫槽加工

盘鼓类零件轮缘上通常都带有安装叶片的榫槽，按形状可分为纵树形榫槽和燕尾形榫槽，按榫槽方向又分为轴向榫槽和环形榫槽，轴向榫槽通常采用拉削加工，环形燕尾榫槽采用数控车削加工。

3.1　榫槽拉削加工

由于榫槽尺寸精度及位置精度的不断提高，榫槽拉削加工已由传统的液压内拉削方式改进发展为数控高速侧拉削，数控高速侧拉床具有刚性好、速度范围大、传动平稳，行程长、精度高、自动化程度高等特点，并可极大地简化夹具结构，加工效率高、劳动强度大大降低。目前已广泛用于涡轮盘、压气机盘及民用透平机械的榫槽加工。

某粉末高温合金涡轮盘纵树形榫槽拉削，设备选择为数控高速侧拉床，最大行程7500mm。设计成套拉刀共14把，排成2排分2次拉削完成。第1~7把为开槽刀，第8把粗拉齿型，第9~11把为粗拉齿底槽刀，第12把粗拉齿顶圆弧刀，第13把精拉槽底圆弧，第14把为精拉齿形刀。其拉削方案示意图即各把拉刀的拉削余量如图2所示。