風扇輪盤圓弧榫槽加工研究

李 季吳宏春趙鵬飛文寶林曾維慷（.駐0廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 50066；.駐黎明公司軍事代表室，遼寧 沈陽 004；.沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 004）

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風扇輪盤圓弧榫槽加工研究

李 季1吳宏春2趙鵬飛3文寶林3曾維慷3
（1.駐120廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.駐黎明公司軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；3.沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

摘 要：發動機風扇輪盤是低壓壓氣機轉子部分關鍵的核心轉動零件，材料為TC4，切削加工性能低。該零件內部型面由兩級腹板與前后安裝邊形成三個封閉的型腔，外部由多個燕尾結構的軸向圓弧形結構的榫槽組成，零件結構緊湊，輪廓尺寸較小，型面復雜，技術條件嚴格，由整體鍛件加工而成加工的難度非常大。本文著重介紹了某機風扇輪盤零件在加工中心上加工圓弧榫槽的加工過程，對圓弧榫槽加工的難點、注意事項、加工方法及技巧進行論述，解決加工難題的措施，成功實現零件的制造與交付。

關鍵詞：風扇輪盤；加工中心；圓弧榫槽；數控程序；成型刀具

一、前言

某型發動機風扇輪盤是發動機低壓壓氣機轉子部分的關鍵零件，工作環境較為惡劣；零件選用材料為TC4，切削加工性能低。該零件輪廓尺寸較小，最大外圓直徑為ф398mm，零件高度為227mm，零件結構緊湊，型面復雜，技術條件嚴格。毛料為模鍛件，經退火處理、粗加工后交付，內腔型面由兩級腹板與前后安裝邊形成三個封閉的型腔，盤心直徑較小余量較大，外部為軸向圓弧形燕尾榫槽，由于與輪盤連接的葉片葉形尺寸較大，為了提高葉片榫頭連接強度，榫槽結構設計成燕尾結構圓弧形榫槽，拉削方法無法進行加工，必須需要通過銑加工完成，槽型的精度要求非常高，定位面的輪廓公差僅為0.02mm，加工的難度非常大。

二、零件工藝圖紙分析

1 零件材料特點分析

風扇輪盤采用TC4鈦合金材料，零件硬度為HB（d）≥3.3mm，發動機在10000轉/分鐘以上，工作溫度較高，工作強度和硬度較好，但這種材料切削加工時，其切削加工性較低，刀具磨損情況較為嚴重。

2 零件圖紙分析

風扇輪盤為發動機中的關鍵旋轉部件，零件的尺寸較小，結構緊湊，圓弧形燕尾榫槽為新型結構，加工的精度要求較高，基本在幾道之內，表面跳動要求在0.02mm～0.05mm，位置度要求在ф0.10mm以內，零件的加工難度較大。

2.1尺寸精度

風扇輪盤圓弧形榫槽為燕尾形結構，榫槽厚度為138±0.05mm，榫槽工作面Q點距中心尺寸為U161，屬于零件重要的特性配合尺寸，榫槽弧度為R219mm。

2.2技術條件

風扇輪盤圓弧榫槽輪廓公差要求非常嚴，工作面要求為0.02，其它表面為0.1，弧形榫槽位置度為Φ0.1，表面粗超度為0.8。

2.3零件類型

風扇輪盤是發動機低壓壓氣機中的關鍵旋轉承力部件，工作時轉速最高達到10000轉/分鐘以上。零件為整體鍛件加工而成，其結構、形狀復雜，空間狹小，尺寸較多，加工的精度較高，材料為TC4的鈦合金，零件硬度值為HB（d）≥3.3mm。

2.4加工難點分析

圓弧形榫槽軸向厚度138mm，榫槽深度近40mm，余量較大，槽形深，榫槽公差要求嚴，表面粗糙度高，加工時切削力大，必需由機床及刀具保證，對設備、刀具的精度與剛性要求高，加工的難度非常大。

圖1　圓弧形榫槽圖形

圖2　燕尾型榫槽成型銑刀刀具結構圖

圖3　榫槽外部成型銑刀刀具結構圖

零件材料為鈦合金，材料的硬度與強度較高，加工時切削負荷較大，零件加工時易出現串動及表面加工硬化現象，刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，保證零件的加工精度較為困難。

2.5解決加工難點的工藝措施

根據零件圓弧榫槽的結構特點與形狀，專門設計非標成型銑刀，刀具柄部直徑為20mm～30mm，增加刀具的強度，成型銑刀的輪廓公差要求較嚴，加工前投影檢查刀具形狀，提高銑加工的精度。

零件材料加工時切削熱高、易黏刀，刀具磨損嚴重，通過試驗、優化切削參數，切削時大量澆注冷卻液，帶走切削熱量，減少冷作硬化情況，提高刀具的切削壽命，保證零件的加工精度與表面質量。

零件在加工時，采用止口及銷釘定位方式，保證零件裝夾穩固，避免零件因切削力大所造成的位移現象，提高零件制造質量。

三、圓弧榫槽刀具設計

兩級腹板輪盤零件32個圓弧榫槽，內部為燕尾形結構，是葉片安裝到榫槽時的主要配合表面，圖紙要求的輪廓公差較嚴。榫槽銑加工時，型面無法通過刀具軌跡補償獲得，所以需要使用成型銑刀進行加工，根據零件的結構特點，規劃設計3種刀具來完成榫槽加工，首先使用標準的立銑刀進行粗開槽，內側型面用燕尾型成型銑刀加工（如圖2），外部型面用錐形成型銑刀（如圖3）加工出側面，轉接圓弧靠刀具底部圓R保證，兩種非標準的成型銑刀輪廓精度要求在0.01mm以下，以滿足榫槽輪廓公差的需求。

四、零件加工工步安排

根據零件圖紙的要求，結合生產現場的設備、工裝、刀具的狀況，經過分析、研究，確定精銑圓弧榫槽工序，在高精度的臥式四坐標加工中心上進行。

1 零件裝夾

風扇輪盤銑加工圓弧榫槽，加工中心需要在臥式狀態下進行，主軸到工作臺面距離必須大于150mm，設備才能正常運行，而且由于零件為實體狀態，余量較大，切削力也較大，加工時零件已發生串動，影響加工質量，所以需要制作專用的夾具進行裝夾，保證加工的穩定性與高度需求。

選用一個厚度約200mm、直徑約450mm的鋁盤進行改制，鋁盤的兩端車平，并按照零件內止口的尺寸加工出定位面，將鋁盤裝夾到加工中心上，然后按照基準孔的位置鉆一個直徑為Φ60+ 0.025，深度為8mm的盲孔，將Φ6mm的銷子插入盲孔中，將基準孔的角向輸入到工件零點地址中，鋁盤中間加工4個M12的螺紋孔，擰入雙頭螺桿，用于零件壓緊用。將基準孔與銷子對正，零件安裝到夾具上，找正零件基準跳動不大于0.01mm，壓緊壓板，零件安裝后的圓周中心與機床旋轉中心重合。

2 圓弧榫槽銑削加工

風扇輪盤零件圓弧榫槽，內部為燕尾形結構，是葉片安裝到榫槽時的主要配合表面，設計要求的輪廓公差較嚴。榫槽銑加工時，型面無法通過刀具軌跡補償獲得，需要使用精確成型的成型銑刀進行加工，加工時設備主軸在臥式狀態下，刀具的對刀點選在零件回轉中心上，軸向Y方向零點選擇在零件中前部安裝邊上，分粗開槽、銑加工榫槽內側型面、銑加工榫槽外側型面3個工步進行加工。

首先使用標準的Φ12mm的立銑刀逐層進行粗開槽，按照刀心軌跡編制數控程序，將榫槽中部的大部分余量去除，榫槽最窄處留有0.5mm的余量，加工時進給速度為10mm/min，主軸轉速為150r/min，刀具每運行一個榫槽后遠離工件，工作臺旋轉到下一個榫槽位置，按照前一個刀具軌跡再進行加工，直到將所有榫槽的余量都去除后，結束粗開槽的工步。

其次用燕尾型成型銑刀加工榫槽底部內側型面，加工前投影檢查刀具的輪廓精度，并目視檢查切削刃的是否鋒利，按照輪廓編程方式分4刀，由內向外逐步加工，最后一刀精加工時單邊留有0.5mm余量，更換一把新的刀具，以保證刀具的輪廓精度高于零件要求，對刀后將刀補上到尺寸，沿零件的上下方向精銑一圈，加工第一個槽后使用榫槽樣板進行測量，如樣板通端不能通過，停止程序運行，再在刀補中進行微量上刀運行程序，直至第一個榫槽樣板通端能過通過，再依次加工其它的榫槽，保證燕尾形榫槽底端尺寸合格。

最后用錐形成型銑刀加工外部型面，按照輪廓編程方式進行加工，分2～3刀將型面加工至尺寸，轉接圓弧靠刀具底部圓R保證。

4.3零件檢測

榫槽輪廓公差及位置度等技術條件，在加工后在三坐標測量機進行掃描、擬合，與零件理論的輪廓進行比對，得出最終是否合格的結論，經過檢測榫槽的尺寸及技術條件均滿足了圖紙的要求，零件表面圓滑轉接，粗超度達到規定要求。

結論

采用臥式四坐標加工中心，進行精銑圓弧榫槽加工，加工設備可以滿足零件要求，加工刀具選擇結構合理，制造精度較高，有效地控制了尺寸精度和技術要求，加工步驟安排可行，走刀路線與數控程序經運行正確、合理，所加工的零件尺寸與技術條件能夠滿足工藝圖紙要求，并保證了零件表面質量的要求，加工方案在風扇輪盤加工中得到了良好的應用，為公司新機研制積累了寶貴經驗。

參考文獻

[1]臧笑宇，閆龍，史韻琦.圓弧型榫槽風扇輪盤加工及檢測技術研究[J].中國新技術新產品，2012（17）：135-135.

中圖分類號：V231

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