航空盤環(huán)類件邊緣處理工藝研究范文

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[摘要]通過針對自動倒角機(jī)的固定軸銑削、機(jī)械刷光、磨粒流、振動光飾的組合邊緣處理加工工藝方法的研究，優(yōu)化各類邊緣數(shù)控?zé)o人干預(yù)加工工藝，關(guān)注零件邊緣部位表面完整性指標(biāo)控制，解決原始傳統(tǒng)加工工藝導(dǎo)致加工過程中產(chǎn)生刀痕、劃傷等表面缺陷的問題。本文針對航空發(fā)動機(jī)盤環(huán)類件邊緣部位的倒圓、去毛刺以及拋光去除重熔層等開展基于表面完整性的加工工藝相關(guān)研究，提高航空發(fā)動機(jī)盤環(huán)類件的服役壽命。

[關(guān)鍵詞]表面完整性；疲勞失效；邊緣處理

航空構(gòu)件中疲勞失效占80%以上，特別是飛機(jī)、發(fā)動機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件，疲勞是安全服役威脅最大的失效模式，而疲勞源絕大多數(shù)情況萌生于零件表面。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子上的盤環(huán)類件是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境下工作，承受著復(fù)雜的動載荷，這類零件的壽命和可靠性對發(fā)動機(jī)的壽命和可靠性起著決定性的作用。隨著發(fā)動機(jī)推重比和渦輪前溫度不斷提高其應(yīng)力水平越來越高，盤環(huán)類件的邊緣部位成為發(fā)動機(jī)疲勞失效的疲勞源主要萌生部位。盤環(huán)類件的邊緣部位在機(jī)械加工后，常常造成表面機(jī)械加工損傷，這些損傷屬于機(jī)械加工表面完整性范疇，宏觀檢查不能直接發(fā)現(xiàn)，但卻成為疲勞源的萌生部位，影響零件的疲勞壽命。開展基于表面完整性控制的邊緣加工工藝研究，優(yōu)化工藝方法與參數(shù)，使發(fā)動機(jī)盤環(huán)類零件的邊緣加工過程受控，提高抗疲勞性能，延長使用壽命。隨著航空發(fā)動零件生產(chǎn)批量的加大和新興材料的出現(xiàn)，原始傳統(tǒng)的盤環(huán)類旋轉(zhuǎn)件的邊緣加工工藝已不能滿足抗疲勞制造技術(shù)的和表面精細(xì)加工技術(shù)的要求，提高優(yōu)化各類邊緣數(shù)控?zé)o人干預(yù)加工工藝，關(guān)注邊緣部位表面完整性指標(biāo)控制，對確保航空發(fā)動機(jī)盤環(huán)類旋轉(zhuǎn)件易產(chǎn)生疲勞失效的邊緣部位處于受控狀態(tài)起到了至關(guān)重要的作用。

1表面完整性機(jī)械加工的影響因素

零件由毛坯到成品的機(jī)械加工過程中，會在零件加工表面上留下不同程度表面缺陷，如表面凹凸不平、邊緣棱邊殘缺、飛邊毛刺、微觀裂紋等。它們的產(chǎn)生和存在，不僅會影響零件本身的質(zhì)量和使用性能，也會影響零件裝配后精度和服役壽命。機(jī)械加工中用“表面完整性”來評價一種或幾種加工工藝方法獲得的零件表面層幾何的、物理的、化學(xué)的狀況。其主要表達(dá)內(nèi)容分為兩方面：①加工表面的幾何特征：如表面粗糙度、表面紋理、加工表面缺陷等。缺陷種類很多，在切削加工中產(chǎn)生最多的缺陷為尖邊與毛刺。尖邊與毛刺指在切削加工時，由于塑性變形和表面撕裂等原因，在加工表面的棱邊處派生出多余的微小尖棱凸起物。②加工表面層的物理力學(xué)性能：如反映表面層的塑性變形與加工硬化、表面層的殘余應(yīng)力及表面層的金相組織變化等方面的物理力學(xué)性能；反映表面銹蝕、光學(xué)性能等方面要求的其他特殊性能。表面完整性機(jī)械加工是通過有效控制機(jī)械加工參數(shù)、采用適合的刀具、選擇適宜潤滑方式和剛度好、精度好、無振動的機(jī)床等工藝方法，控制表面完整性的加工技術(shù)。表面完整性機(jī)械加工的基本理念和技術(shù)目標(biāo)是高效、精密和抗疲勞。針對不同的切削加工工藝方法，通過合理選擇工藝參數(shù)，正確的刀具材料和刀具幾何參數(shù)和冷卻方式，獲得所需的零部件加工后的表面幾何特性和表面物理性質(zhì)，提高加工零件的表面完整性。

2基于表面完整性控制的盤環(huán)類件邊緣處理工藝

2.1邊緣處理

在盤、環(huán)等零件的邊緣進(jìn)行倒棱后去除毛刺并尖邊倒圓。

2.2邊緣處理工藝方法

邊緣處理工藝方法主要有固定軸銑削+磨粒流加工工藝,固定軸銑削+磨粒流工藝,固定軸銑削+機(jī)械刷光工藝,用固定軸銑削法進(jìn)行倒棱，用磨粒流加工、振動光飾工藝、機(jī)械刷光進(jìn)行去毛刺和尖邊倒圓。

2.3自動倒角技術(shù)加工榫槽邊緣倒圓工藝

自動倒角機(jī)的固定軸銑削工藝特別適用于孔、異形孔及異形件棱邊的倒圓，如：盤的榫槽邊緣及盤軸異形孔邊緣等。數(shù)控銑床加工后的倒棱，還需要使用機(jī)械刷光或磨粒流等設(shè)備來進(jìn)行棱邊的光整、倒圓及去毛刺。盤類零件榫槽邊緣倒圓傳統(tǒng)工藝方法是手工操作，其加工效率低，加工后零件的質(zhì)量差，尺寸一致性不好，加工中依賴個人技能水平，不能滿足零件高質(zhì)量的加工要求。利用自動倒角機(jī)對榫槽邊緣進(jìn)行倒圓加工，再利用毛刷和振動光飾方法提高倒圓處的光度，和保證圓滑轉(zhuǎn)接。利用自動倒角機(jī)，通常倒圓R0.4-R0.6的圓角，需要進(jìn)行10層的切削，以保證圓角的圓滑，提高尖邊倒圓的一致性。銑加工后的倒圓表面粗糙度較低，通常只能達(dá)到Ra6.3,為了提高零件倒圓后的粗糙度，在設(shè)備上裝置了兩種固定刷，一種硬毛刷，一種軟毛刷，各刷飾了30分鐘，加工后的效果比較理想。機(jī)械刷光工藝是使用刷輪通過機(jī)械的往復(fù)或者旋轉(zhuǎn)運動對零件表面進(jìn)行加工處理。刷輪一般為布輪和由金屬絲，動物毛，天然或人工纖維等制成刷輪。機(jī)械刷光可以快速去除零件表層的毛刺，焊渣、氧化皮及棱邊圓滑過渡等，不會破壞零件的幾何形狀。通過減少手工打磨工藝的應(yīng)用，保證關(guān)鍵件關(guān)鍵尺寸全部采用機(jī)械化加工來實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。機(jī)械刷光工藝特別適用于異形孔及異形件棱邊的去毛刺、尖邊倒棱及光整，如：渦輪盤榫槽邊緣、渦輪葉片榫齒邊緣及盤軸異形孔邊緣等。加工后對刷飾后的榫槽邊緣進(jìn)行了應(yīng)力檢測，結(jié)果表明，加工前為拉應(yīng)力，加工后零件表面變化為壓應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)得到了較好的改善。通過對進(jìn)行銑削和自動拋光的復(fù)合加工方法，該工藝方法倒角、倒圓一致性好，降低表面粗糙度值效果明顯。實現(xiàn)零件尖邊倒圓的機(jī)械化，提高零件邊緣加工后尺寸的一致性，防止加工后零件邊緣出現(xiàn)接刀臺階現(xiàn)象。

2.4圓柱面上異形孔邊緣加工工藝

孔口邊緣處理工藝一般是在孔精加工后，對孔進(jìn)行正、反倒角或倒圓及倒角棱邊倒圓的加工，孔口邊緣的處理一般包括孔口倒圓、孔口倒角和孔邊去毛刺。根據(jù)孔的部位不同還可分為：端面孔邊緣處理、徑向孔邊緣處理等。根據(jù)孔口形狀，可以分別設(shè)計專用的正、反倒角锪刀進(jìn)行倒角或倒圓。位于同一平面圓形孔的可采用普通三坐標(biāo)數(shù)控加工中心設(shè)備加工，而對于圓柱面上的徑向異形孔倒圓需要五軸數(shù)控加工中心設(shè)備加工。因被加工材料為難加工的鎳基高溫合金材料，刀具采用整體硬質(zhì)合金成型倒圓刀。銑刀切削部分由4個銑刀切削刃構(gòu)成，每個切削刃由切削段和延長段組成，切削段主要實現(xiàn)圓角的加工，延長段主要防止切削后轉(zhuǎn)接處產(chǎn)生臺階現(xiàn)象。切削刃部分的延長段為兩段，分別為圓角的兩側(cè)，延長段與切削段。刀具設(shè)計成上下兩部分切削刃，正反面倒圓加工刀具一體化，實現(xiàn)一次裝夾完成孔正反邊緣倒圓加工，提高加工精度，提高加工效率，使用方便，降低刀具成本較低，有效解決手工進(jìn)行零件尖邊倒圓的尺寸一致性差的問題。圓柱面上的徑向孔邊倒圓輪廓為空間曲線，為了保證各邊倒圓能夠圓滑過渡，設(shè)計數(shù)控五軸加工數(shù)控程序，按照倒圓曲線的實際輪廓走刀。采用專用成型刀具，通過自動倒角機(jī)固定軸無人干預(yù)數(shù)控銑削，加工后徑向孔孔邊倒圓尺寸大小一致并實現(xiàn)圓弧轉(zhuǎn)接，克服了鉗修工藝手工操作引起的表面凹凸不平、邊緣棱邊殘缺、飛邊毛刺、微觀裂紋等表面缺陷，有效提高了加工表面質(zhì)量。

2.5盤類件榫槽邊緣磨粒流加工工藝

磨粒流加工可完成拋光、去除毛刺和邊緣倒圓加工，磨粒流拋光的表面沒有污垢，消除應(yīng)力、受損的金屬層等，有助于延長部件的壽命。磨粒流加工工藝特別適用于旋轉(zhuǎn)零件，如風(fēng)扇、葉盤、葉片、盤和隔離環(huán)等。磨粒流加工對零件復(fù)雜型面、型腔及邊緣部位去毛刺并倒圓，實現(xiàn)精細(xì)加工，顯著提高加工表面的表面完整性。磨粒流加工拋光表面均勻、完整，批量零件的加工效果重復(fù)一致。由于航空發(fā)動機(jī)盤類件榫槽拉削后，榫槽邊緣為尖邊，如直接利用磨粒流進(jìn)行榫槽邊緣去毛刺及倒圓的加工，容易使金屬塊狀鐵屑進(jìn)入磨料，影響加工效果，并且加工效率也較低。利用磨粒流進(jìn)行盤類件榫槽邊緣去毛刺及倒圓的加工過程中，不可避免磨料進(jìn)入榫槽內(nèi)部并在榫槽中進(jìn)行反復(fù)運動，勢必會對榫槽型面尺寸產(chǎn)生影響。航空發(fā)動機(jī)盤類件的榫槽型面尺寸為關(guān)鍵特性尺寸，如果產(chǎn)生超差將直接影響葉片榫頭與榫槽之間的配合，嚴(yán)重影響航空發(fā)動機(jī)性能。因此采用磨粒流工藝方法進(jìn)行盤類件榫槽邊緣去毛刺及倒圓的加工，關(guān)鍵在于控制榫槽相關(guān)尺寸不能因磨粒流加工加工后產(chǎn)生超差不合格，加工過程中需制定臺理的工藝參數(shù)，既保證榫槽邊緣去毛刺及倒圓表面質(zhì)量，又要保證榫槽型面尺寸變化在設(shè)計公差范圍內(nèi)。試驗中，進(jìn)行磨粒流加工前對零件的榫槽邊緣進(jìn)行了預(yù)倒角0.2-0.3mm，然后用磨粒流進(jìn)行榫槽邊緣去毛刺及倒圓的加工。加工時設(shè)定溫度攝氏25℃，速度499mm/min，10個循環(huán)、大約40分鐘。加工后，分別檢查所有榫槽兩處滾棒值，磨粒流加工前后分別相差0.01-0.015mm，經(jīng)過放大投影檢查，均在公差帶范圍內(nèi)，且加工前后滾棒值相差值可控，滿足設(shè)計要求。

3結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)盤環(huán)類件基于表面完整性控制的邊緣處理工藝，針對不同形式邊緣分別采用榫槽邊緣倒圓及毛刺去除使用固定軸銑削方法倒棱后機(jī)械刷光加工工藝，孔邊緣倒圓及去毛刺工藝使用固定軸銑削方法加工工藝，顯著提高了航空發(fā)動機(jī)盤環(huán)類件邊緣處理表面質(zhì)量，提高尺寸一致性及表面粗糙度，加工后表面無附帶損傷避免銼刀痕產(chǎn)生的應(yīng)力集中，有助于延長部件的壽命。

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作者：周正民；時旭；李成武 單位：中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司