基于車銑復合的低壓渦輪軸加工工藝研究

李健

摘 要：低壓渦輪軸是航空發動機的關鍵轉動零件，發動機工作時，低壓渦輪軸長期在交變載荷環境下工作，所以其結構復雜，材料多為高溫合金、高強度鋼等，具有切削性能差、加工周期長等特點。本文采用車銑復合機床來加工低壓渦輪軸，與傳統的低壓渦輪軸加工工藝路線相比，其生產效率和加工質量明顯提高，成本顯著下降。

關鍵詞：車銑復合;低壓渦輪軸;加工工藝

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0053-02

Research on Processing Technology of Low Pressure Turbine

Shaft Based on Turn-milling Compound

LI Jian

（Guizhou Education University，Guiyang Guizhou 550018）

Abstract： The low-pressure turbine shaft is the key rotating part of the aero-engine. When the engine is working， the low-pressure turbine shaft works under long-term alternating load environment. Therefore， its structure is complex， and the materials are mostly high-temperature alloys， high-strength steels， etc.， which have the characteristics of poor cutting performance and long processing cycle. This paper used a turning and milling machine tool to machine the low pressure turbine shaft， Compared with the traditional low-pressure turbine shaft processing route， the production efficiency and processing quality were significantly improved， and the cost was significantly reduced.

Keywords： turning and milling composite;low pressure turbine shaft;processing technology

從發展過程來看，航空發動機的低壓渦輪軸結構越來越復雜，材料越來越難加工，對機床的性能要求也越來越高[1]。隨著車銑復合的應用，工序分散的單一加工逐漸被淘汰，工序集中的復合加工成為發展趨勢，原來的一次裝夾只能實現車或銑等，而現在的一次裝夾可以實現車、銑、磨和鉆等多種機械加工，所以采用車銑復合加工低壓渦輪軸變得越來越重要[2，3]。

1 低壓渦輪軸的特點

低壓渦輪軸主要作用是安裝軸承和傳遞扭矩，其尺寸公差和形位公差等精度要求高，結構復雜，工藝集成度高，工藝難度大，加工周期長。其主要結構有：臺階和錐形深孔、大小復雜型腔、花鍵齒、篦齒、軸承支點、盤軸用連接孔及多個過油孔，小頭直徑一般小于50mm，長度約1 200mm，長徑比大（[LD]≥25），空心薄壁（壁厚約為5.5mm），壁厚差小于0.1mm，是典型的長軸薄壁類零件。

2 低壓渦輪軸的傳統加工工藝

受軸類零件特點和加工設備限制的影響，軸類零件的傳統加工工藝為，先車再銑，然后磨。低壓渦輪軸的傳統加工工藝路線為：毛料圖—打頂尖孔—粗車軸大頭外圓—粗車軸頭部及鏜引導孔—鉆擴孔—切試件及平軸總長—車試件—粗鏜軸大頭內孔—車軸外圓—超聲波探傷—車軸大頭外圓—熱處理—車軸外圓—修復壁厚差—車軸頭部及鏜引導孔—鏜軸尾孔—鏜軸內孔—鏜軸內小孔—鏜內孔型面—修復基準—車軸頭部—粗鏜尾孔—車軸小頭—車軸頭部端面槽—車軸小頭外圓—車軸桿部外圓—車尾部錐體—磨外圓基準—精車軸頭部—鏜頭部內型面—鏜軸頭部環槽及內腔—磨小頭內孔—銑頭部內槽—銑長槽—銑頭部端面槽—銑頭部槽—滾銑軸花鍵—車桿部—車軸內外臺階—車小頭螺紋—車錐體—銑鎖緊槽—銑大頭端部槽—鉆中部孔—銑軸中部長孔—鉗工加工—磨外圓—磨內孔—鉆尾部小孔—鉆斜孔—鉆孔和攻絲—鉗工加工—車頭部內螺紋—車工藝凸臺—修頂尖孔—磨內孔—磨軸承孔—拋光內孔—拋光外圓—劃線—鉗工加工—洗滌—磁力探傷—最終檢驗。

該工藝路線主要的加工難點表現在三個方面。

2.1 深孔的加工和壁厚差的保證

低壓渦輪軸內孔的加工和外圓的加工分別是在深孔鏜床和數控車床上完成的，但是兩道工序找正基準不重合，并且內孔較深（深度921mm），很容易出現讓刀、振刀現象，導致內孔加工不合格，內孔表面光度不好，致使壁厚差不容易保證，最終影響軸的動平衡。

2.2 復雜型面的加工

復雜零件需要各種專用工裝。受數控機床的限制，車、銑、磨和滾齒等工序需要分開加工，即需要多次裝夾，造成裝夾找正基準不重合，很容易導致精度高的裝配尺寸不合格，并且每加工一次，就需要檢測一次，這樣就大大延長了零件的加工周期。

2.3 生產周期長

在數控加工中，程序調整、工裝夾具準備、刀具準備及零件檢測等占用的時間較多，加工效率偏低。

3 車銑復合加工低壓渦輪軸的工藝分析

車銑復合具有車、銑、磨、鉆和鏜等多種功能集于一身的數控機床，其加工精度和加工效率高。根據車銑復合機床的特點，低壓渦輪軸的加工解決方案如下。

一是軸的粗加工工序余量大，公差尺寸也比較大，放在一般的機床上加工就很容易保證尺寸，同時為了充分利用傳統工藝路線機床，軸的傳統工藝路線的毛料加工及粗加工工藝路線不變。二是由于軸內孔的鏜削余量比較大，耗時比較長，如放在車銑復合機床上加工，會占用大部分車銑復合機床的時間，為了充分利用傳統工藝路線機床，把內孔的粗鏜和半精鏜削放在數控鏜床上加工。

三是為了縮短軸的加工周期和提高軸的加工質量，把軸的半精加工和精加工放到車銑復合機床上加工，因為車銑復合機床精度高并且是五軸聯動機床，所以復雜型面的尺寸公差更容易保證。四是為了保證軸的壁厚差，把軸的內孔精鏜和軸的外圓桿部精加工放在一道工序上加工，這樣就保證了裝夾的基準一致，使軸的壁厚差和形位公差更容易保證。

4 車銑復合加工低壓渦輪軸的工藝路線

根據車銑復合加工低壓渦輪軸的解決方案，本文制定了低壓渦輪軸的加工工藝路線：5毛料圖—打頂尖孔—15粗車軸大頭外圓—粗車軸頭部及鏜引導孔—鉆擴孔—切試件—平軸總長—車試件—粗鏜軸大頭內孔—車軸外圓—超聲波探傷—車軸大頭外圓—熱處理—車軸外圓—修復壁厚差—車軸頭部及鏜引導孔—鏜軸尾孔—鏜軸內孔—鏜軸內小孔—鏜內孔型面—修復基準—車軸頭部—粗鏜尾孔—半精車軸大頭—半精車軸小頭—車銑鉆軸大頭及桿部—精車軸小頭—劃線—鉗工加工—洗滌—磁力探傷—最終檢驗。

5 車銑復合加工低壓渦輪軸的優勢

采用傳統工藝加工低壓渦輪軸需要64道工序，采用車銑復合加工低壓渦輪軸需要32道工序（把低壓渦輪軸半精加工和精加工的36道工序合并成4道工序在車銑復合機床上加工）。其優勢表現在三個方面。

5.1 縮短了加工周期

車銑復合加工減少了32道工序，減少了檢驗時間（因為每加工完一道工序都需要檢驗），減少了裝夾找正時間、各工序之間轉運零件的時間和零件尺寸超差返修時間等，提高了生產效率。

5.2 提高零件加工質量

車銑復合機床精度高，并且自帶檢測探頭，在零件裝夾找正和加工過程中不斷檢測及修正加工參數，減少人為干預帶來的誤差，使得零件尺寸更容易保證。車銑復合加工減少32道工序，減少專用工裝使用的數量（因為每個工裝本身就有一定的誤差），同時縮短加工周期，減少兩道工序之間轉運零件碰傷的概率，提高了零件的質量。

5.3 降低大量成本

車銑復合加工減少了很多專用的夾具和測具，減少了數控機床的數量（如數控車床、數控銑床、數控鏜床、磨床和滾齒床等），同時減少了用工成本（車銑復合機床僅用1個人就可以代替數控車床、數控銑床、數控鏜床、磨床和滾齒床操作工等），提高零件加工質量，減少零件返修成本和零件尺寸超差報廢的成本。

6 結論

采用車銑復合加工低壓渦輪軸具有明顯的優勢。它不僅縮短了軸的加工周期，提高生產效率，還提高了零件的加工質量，節約了大量成本。該研究為使用車銑復合加工其他長軸類零件提供了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]秦琴，毛子薦，劉昭凡.高溫合金在航空發動機領域的應用現狀與發展[J].工具技術，2017（9）：3-6.

[2]張晶，韓彬，金英卓.車銑復合加工在航空發動機精密零件中的應用[J].中國新技術新產品，2019（15）：50-51.

[3]陳征，劉峻宇，張月.車銑復合技術在航空零件制造中的應用研究[J].中國新技術新產品，2019（7）：48-49.