航空發動機渦輪機匣銑加工工藝研究
2014-10-13 來源：數控機床市場網 作者：沈陽黎明航空發動機 王濤 郝曉光
摘 要：本文通過剛性分析、工裝自制、刀具試驗、刀軌優化、變形控制等多方面入手，對美國普惠公司某型航空發動機渦輪機匣進行銑加工工藝研究。攻克了高溫合金機匣復雜型面、腰槽及島加工的諸多技術難題。積累了一定的大進給去余量、薄壁加工變形控制、輔助支撐工裝設計等工藝經驗。
關鍵詞：高溫合金；腰槽； 變形控制；飛碟銑刀
1 引言
該渦輪機匣材料為 INCONEL 高溫合金，這些極具挑戰的工件材料往往對加工造成諸多影響，一般對車削不會產生太大影響，而對銑削影響較大，往往需要多次銑削去除大量材料，這樣耗費了大量的成本。傳統銑削刀具不能高效率的完成該使命，銑削中的刀具迅速磨損及大量的切削熱甚至會融化刀片。為此選用能夠減少刀片切削刃的溝槽磨損，并能采用更高的進給量的銑削刀具，成為確保加工安全高效的關鍵所在。為了追求更大的推重比，機匣設計了大量采用島、槽、筋等結構，這類結構的加工工藝就需要精心規劃，往往需要設計大量非標刀具達到去除材料的目的，加工時還必需考慮到薄壁件的一些列加工變形問題。
本文就某 PW 渦輪機匣加工難點進行深入分析，精心設計銑加工工藝，并進行實際加工，摸索加工規律。
2 零件分析
2. 1 結構分析
該渦輪機匣為典型薄壁環形高溫合金件，最大外圓為 1063mm ，高為130mm ，壁厚僅為 2.3mm 。主要結構有：
（1）大、小端面共有 130 個開口槽及 260 多處孔；
（2）靠近大端面內型有一加強筋，筋上有四組不同大小共 169 孔，其中有一直徑僅為 2.18mm 的盲孔和 84 個直徑為3.3mm 精度較高的鉚接孔，筋的下端有42個 U 型窩；
（3）中部斜面上有四個不均布的島，每個島上有6處螺紋孔，其中兩處為盲孔，每個島子中間有內外不同心的孔；
（4）小端較為復雜，尤其是小端內型槽，屬于凹陷的形式，加工十分困難，63 處偏心腰槽與底面為 25.5°，與噴涂槽相通，無論是加工還是噴涂，都是個挑戰。
2. 2 加工難點分析
難點 1：零件大部分余量需要采用銑削的方式進行去除，特別是零件外型側壁上，有近 17m m 余量，采用傳統的整體硬質合金銑刀或盤銑刀，效率將十分低下；
難點 2：島嶼中心孔采用傳統的鉆削方式又會擔心產生較大的變形，采用硬質合金刀具去余量，會消耗大量刀具，且效率十分低下；
難點 3:小端內型面的 63 處腰槽，寬度僅為 6.3mm ，長度為 17.27mm ，為保證零件加工精度，需要采用刀補程序，這樣刀具選用就限定了一定的范圍，還必需要求刀具具有一定的長度，防止出現加工碰撞。
3 加工難點解決方案
3. 1 斜面去余量解決方案
由于余量過大，采用了伊斯卡Φ40R2 飛碟銑刀進行粗去余量，嚴格沿切線切入、切出，防止出現打刀，并采用內冷方式對刀具進行冷卻。如圖 1 所示，加工一個型面需加工四刀，每加工一刀，觀察并更換刀片，參數轉速為 S=200r/min，f=350mm/min，ap=1mm 。將余量完全去除共消耗刀片 20 片。
由于切線切入切除，必然有較多殘留，所以需要清根，同樣也不選用效率低且成本高的整體硬質合金刀具，而選用山高 Φ32R6 可換刀片刀具進行加工。為防止出現打刀，將島子每側清根分成 5 個程序分層加工切削，參數為 S=400r/min，f=150mm/min，ap=1mm 。比傳統硬質合銑刀去余量加工效率提高較多，同樣降低了大量的刀具及人工成本，見圖 1。
圖 1 飛碟銑刀去斜面余量
3. 2 斜面島子中間孔去余量解決方案
傳統方案為采用 U 鉆直接鉆孔，這樣會產生較大的力，會造成零件出現較大變形，而且容易出現零件竄動的現象，對夾具也是個考驗。或者采用整體硬質合金鉆頭鉆底孔后采用大直徑合金銑刀銑孔，這樣效率比較低，成本也較高。針對這些問題，決定選用而選用山高 Φ32R6 可換刀片刀具進行螺旋銑，這樣既節省了刀具， 又提高了效率。 加工路線如圖2所示。采用螺旋銑，銑出盲孔，為后續精銑加工留取足夠的余量。切削參數為，S=397r/min，f=40mm/min，ap=1mm ，見圖 2。
圖 2 螺旋銑去余量
3. 4 銑 63 腰槽
首先，采用 D5R0. 2 銑刀銑出平面。采用 UG CAM 的 ZLEVEL 方式編制銑斜平面的程序，留取 0.5mm 余量。銑出該平面為打孔去余量做好準備。其次，采用 D3 鉆頭進行打點及鉆孔，在腰槽中鉆出 3 個孔，這樣可去除大部分余量，也能有有效的預防 D5 銑刀的打刀現象。
采用 UGCAM 編制出鉆孔程序。再次，采用 D5 銑刀進行粗銑。使用 UGCAM 的ZLEVEL 編制方式編制分層粗銑的方式，每層深度 0.5mm ，單邊留取 0.2mm 余量。最后，采用 D5 銑刀進行精銑，使用 UCCAM 固定軸銑方式，編制輪廓程序，使用刀補進行加工，保證零件加工合格。加工時必須注意使用輔助支撐夾具對零件小端進行支撐，盡量降低加工時的切削振動，防止刀具斷裂。
4 結語
通過 PW 公司零件新件研制任務的展開，對某渦輪機匣加工工藝進行了精心的規劃設計，并嘗試各種方案，攻克了諸多高壓渦輪機匣研制的技術難題，在大進給去余量積累一定的經驗，充分掌握了大進給銑刀使用方法，若渦輪機匣若采用切削刀具的耐熱性更高且不易與工件材料產生化學反應，具有出色的抗溝槽磨損性能的陶瓷刀片，效率將會大大提高，同樣也在腰槽加工刀具選用、參數選擇、變形控制等方面取得一定的成果。這些經驗為為我公司與 PW 公司長期合作打下了堅實的基礎。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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