高壓渦輪轉子封嚴盤加工工藝改進

1序言封嚴盤是發(fā)動機高壓渦輪轉子部件中的關鍵零件，工作時處于高溫、高壓和高速旋轉的狀態(tài)，對高溫下的機械性能具有很高的要求。封嚴盤材料為高溫鎳基合金，硬度≥39HRC，加工難度很大。2零件結構圖1所示封嚴盤形狀復雜，是我公司承接美國GE公司生產的CFM56-5/-6發(fā)動機高壓渦輪轉子部件中的一個關鍵零件。其最大外徑為592.17mm，中空部分最小內徑為184.4mm，總高62.88mm，最小壁厚1.52mm，零件腹板前后各有一個定位止口，輻板中央部位有均布的48個異形孔，用于連接高壓渦輪轉子前軸和高壓渦輪盤。零件外圓處有3個依次增高的封嚴篦齒，其下方有1個單獨的斜形較長的封嚴篦齒，它們共同組成4層空氣封嚴。上下兩組封嚴齒之間有一組均布的72個異形孔供螺栓通過，用于連接外封嚴隔圈。80個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，導致零件結構比較復雜。a)零件前端b)零件后端圖1封嚴盤3零件精度分析由于封嚴盤與多個零件組裝，配合尺寸多，因此精度要求很高。封嚴盤零件幾何尺寸如圖2所示，左右兩個定位止口的尺寸均為φ（377.469±0.025）mm，相當于IT7級精度；四個封嚴齒的外徑在噴涂前的公差均為±0.025mm，相當于IT6級精度；定位止口、四個封嚴齒及輪轂內孔對基準面的跳動要求均為0.025mm；定位輻板左右端面平行度要求0.05mm；52個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。可見該零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度要求都很嚴，屬于高精度零件。圖2

封嚴盤幾何尺寸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，內外錐面處的壁厚僅為1.52mm。加之零件材料切削抗力大，導致致加工變形嚴重，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，我們首先考慮的是如何控制零件翼型結構的變形，根據(jù)零件特點確定粗加工、半精加工和精加工3個階段，零件按階段依次進行加工，有利于釋放內部應力，消除或減少變形對精度的影響。采用多工序去除余量，將零件的變形分擔到各工序，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，必須進行銑削加工，以達到工藝要求。零件銑削加工部位如圖4所示。內外兩圈孔分屬兩個級別，即外圈72個孔為CL-B級，內圈孔為CL-C級。GE公司要求CL-C級孔必須控制扭力。兩級異形孔處厚度近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邊有倒圓，因此所用刀具應為成形刀。在加工中為保證零件的型面正確，刀具應與底面垂直?，F(xiàn)有三坐標加工中心不能滿足零件的加工要求。至少應采用五軸加工中心進行精加工。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。這樣可以簡化生產準備工作，減少設備數(shù)目、夾具數(shù)目及工件安裝次數(shù)，縮短運輸路線，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→半精車前端及封嚴齒→車基準→精車前端→精車后端→孔加工→半精車內錐面→銑削加工→精車前端錐面→精車封嚴齒→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，如標記、鉗工、熒光檢測、噴丸及噴涂等。5調整加工工藝路線在試制過程中，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（與機床上測量對比），軸向圓跳動＜0.03mm。經過原因分析后，我們決定做出以下調整：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，加工時間減半。2）將半精車內錐面、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度，安裝長度應盡量短，但是由于零件結構問題，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。同時考慮各工序加工時間的匹配問題，將較厚的異形孔的加工分開，將鉆孔安排在一道工序中進行，精銑成形與另一組孔的倒角在一道工序中進行如圖。改動后的工藝路線為：半精車后端→半精車前端及封嚴齒→精車前端→精車后端→鉆、擴、銑72個孔→精車內外錐面→鉆孔和銑凸臺→銑前端孔、倒角→銑80個槽、48個孔倒角→精車封嚴齒→中檢→熒光檢驗→噴丸→精車前端止口→精車后端止口→噴涂→成品檢驗→疊加投影→入庫。

6夾具的調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，零件變形較小，在正常變形范圍以內，過定位在加工中作用極小，調整工藝后將半精車后端、半精車前端及封嚴齒及精車前端工序夾具合并成一個夾具，夾具通用性強，減少了夾具的種類，易于管理和使用。夾具的調整如圖7所示。圖7夾具的調整7車削加工工藝改進7.1刀具的改進合并工序后，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合金刀片。加工效率明顯提高，加工時間減少3～4h。7.2加工程序的改進為最大限度地利用陶瓷刀具的切削刃，采用雙向往復的切削方法進行加工，進給路線如圖8所示。這樣可以充分利用刀片兩側切削刃，減少局部磨損。圖8

進給路線8銑削加工工藝改進高壓渦輪轉子封嚴盤2116M20P02零件上有2組異形孔，1組由72個P11TF12-B級異形孔組成，1組由48個P11TF12-C級異形孔組成。另外，在后端面還有1組由80個異形斜槽組成，這些結構需銑削加工完成。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工藝難點分析根據(jù)零件的結構特點以及加工尺寸要求，經分析有以下幾個技術難點。（1）48個異形孔的加工在現(xiàn)有三坐標加工中心上加裝扭力監(jiān)控裝置（見圖10），以滿足對P11TF12-C級孔的加工進行控制的要求。在夾持刀具的主軸上安裝扭力感應器，通過特殊轉換裝置，將扭力值轉換為電壓值，并傳送到監(jiān)控器中。監(jiān)控器通過數(shù)據(jù)分析并和設定值對比，來決定繼續(xù)加工監(jiān)控或停止加工報警。對監(jiān)控裝置進行多次試驗，證明其電壓值和扭力值的換算關系滿足要求。圖10加裝扭力監(jiān)控裝置48個異形孔原先的加工工藝為：鉆→粗銑→精銑。使用Y330硬質合金鉆頭，加工參數(shù)為按每次6mm進行啄鉆，轉速為600r/min，進給量為0.06mm/r。但是由于零件材質太硬，鉆頭材料晶粒太細，每鉆12～16個孔就必須換刀。后經大量試驗，將鉆頭材質改為K35硬質合金，將加工參數(shù)優(yōu)化為每次4mm進行啄鉆，轉速為450r/min，進給量為0.06mm/r，可滿足鉆26～30個孔換刀。另外，經過分析和試驗，將鉆孔后的粗銑工藝更改為擴孔，每個零件的加工時間至少減少了30min。同樣，對于精銑，由于受異形孔圓弧R影響，只能使用φ7.4mm銑刀進行加工?？咨顬?8mm，轉速為400r/min，進給量為0.15mm/r，深度方向一次銑削讓刀嚴重。后經大量試驗，將加工參數(shù)優(yōu)化為轉速為500r/min，進給量為0.10mm/r，深度方向可一次銑削到位，且無讓刀問題。每個零件的加工時間至少減少了45min。48個異形孔屬于C級孔，在實際加工過程中常產生積屑瘤，嚴重影響零件質量。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。當材料有化學親和性，壓力和溫度足夠高時，積屑瘤會發(fā)生在切削區(qū)域。最終積屑瘤會脫落并同時帶走一些刀片材料，導致刀片崩刃和后刀面快速磨損。圖11為異形孔斷面圖。對于本零件來說，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，多使用修磨刀具進行加工，刀具刃口不鋒利，所以異形孔壁表面加工質量較差，易產生積屑瘤。最初考慮從以下幾個方面解決積屑瘤問題：①使用涂層刀具。②提高切削速度或增加進給量。③正確使用切削液，增加切削液濃度。④改進加工程序。但是考慮到成本因素，使用涂層刀具會增加生產成本，同時該48個孔有C級孔加工要求，所以程序參數(shù)不能更改，只能從改進加工程序上考慮改變加工路線。圖11異形孔斷面改進前程序采用逆銑加工，如果用修磨刀具進行加工，孔壁表面質量不好，易產生積屑瘤，而采用新刀具則加工成本較高。分析零件結構和加工特點，選擇采用順銑加工，解決了積屑瘤問題。通過以上改進，提高了異形孔加工質量，孔壁表面質量大幅提高，沒有積屑瘤產生，且修磨后的舊刀就可完成加工，降低了生產成本，保證了零件質量和正常交付。（2）72個P11TF12-B級異形孔的加工圖12所示為72個P11TF12-B級異形孔的形狀。加工時，替換掉原來使用的φ6mm、φ8mm整體硬質合金銑刀，改為使用某公司的氮鋁化鈦涂層刀具，將加工參數(shù)提高到原來的2倍。換刀點由原來的12孔增加到現(xiàn)在的36孔，通過加長切削刃長，一把刀具可完成72個孔的加工，提高了刀具壽命，降低了綜合成本。圖1272個P11TF12-B級異形孔的形狀改進加工方法，由原來工步的粗鉆孔→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。同時在加工中采用順銑方法，減少抗力，提高表面加工質量，雖然增加了工步，但由于使用涂層刀具，提高了切削參數(shù)，總體時間約8h，減少45%?？紤]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，提高了銑削系統(tǒng)（機床主軸、夾持刀柄及銑削刀具）整體剛性，這也是可以增加刃長的一個原因。（3）80個異形斜槽的加工經過多次精密計算和現(xiàn)場試驗，最后通過采用普通三坐標加工中心加轉頭，再利用萬能角度頭的組合，實現(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個異形斜槽位于細長的薄壁面上，剛性極差，最開始的夾具支撐為點式支撐（見圖14），改進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題。

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