精密錐螺栓孔切削加工工藝研究

何 晉 黃俊華 李 鈺

(中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

某發動機轉子由一至三級盤、渦輪軸等零件組成，各級盤、軸之間的定心與傳扭靠螺栓錐面與盤軸上對應的錐形螺栓孔壓緊實現的[1]。錐螺栓孔總深約220，深徑比達10，其主要工作配合面是兩段非連續精密錐形深孔，表面質量及著色要求非常高，鉆鉸難度大（圖1）。目前通過設計精密定位夾具與專用錐鉸刀配合加工的技術方案，專用錐鉸刀設計上、下引導進行定位，本文主要圍繞錐螺栓孔加工過程中經常出現的拉鉤、劃傷、著色不合格、刀具壽命不穩定等問題，剖析影響錐螺栓孔切削的主要因素并進行工藝優化試驗研究，提升轉子錐螺栓孔的加工質量。

圖1 某轉子錐螺栓孔加工示圖

1 刀具幾何參數優化

1.1 控制刀具前角和刃寬，防止形成積屑瘤

切削塑性金屬材料時，在切削速度不高且又能形成帶狀切屑的情況下，往往會在切削刃口附近粘結一塊剖面層三角狀或鼻狀的金屬塊，即積屑瘤。積屑瘤的出現極大地加劇了加工零件表面的粗糙程度[2]。渦輪軸為40CrNiMoA 塑性材料，切削速度越高，鋼材塑性變形越不充分，表面粗糙度值也就越小[3]。加工該部位螺栓孔時切削速度較低，易產生積屑瘤粘結在切削刃上，導致螺栓孔表面產生拉鉤、劃傷等缺陷，嚴重影響螺栓孔尺寸精度和表面質量。

積屑瘤的形成直接受到切削速度、切削溫度的影響，受限于零件的結構和加工設備，刀具切削速度不能進行較大調整，由此通過采取增大刀具前角、降低刃帶寬度的方法，保持切削刃鋒利，減小切削力，降低切削溫度，以避免積屑瘤的產生。

1.2 調整刃帶寬度，提高表明質量

鉸刀切削刃刃帶有光整孔的作用，刃帶寬的選擇對刀具的鋒利程度和刀齒強度有直接影響，加工中必須選用適宜刃帶寬度參數。若刃帶寬度過小，孔壁光整效果不佳，影響表面質量，同時小刃寬刀具過于鋒利，加工時磨損速度很快，錐鉸刀前期刃帶寬按工裝圖紙要求小于0.05mm 制造，每把刀具僅加工一至兩孔即磨損失效。若刃帶寬太大(約0.15～0.2mm)時，刀具不鋒利，切削阻力大，加工表面產生圈狀擠壓痕、拉鉤。經試驗統計，鉸刀刃帶寬按0.1mm 左右制造，切削效果最佳，可以保證相對良好的表面質量。

1.3 調整前角，控制鐵屑形狀

刀具前角與鋒利程度成正比，前期為了避免積屑瘤的產生，進行了加大刀具前角(約3°～5°)設計，刀具鋒利度明顯增加，加工鐵屑呈片狀，由于普通鉆床加工精度不高，加工過程中時常造成螺栓孔局部過切，影響表面著色質量。經試驗分析，將刀具前角適當減小至-1°～0°，切削產生的鐵屑呈粉末或碎片狀，加工質量有明顯改善。

2 刀具材料性能

2.1 刀具材質分析

1） 成分分析

針對兩件不同批次的1#、2#錐度鉸刀，在刀齒部位取樣進行化學定量分析，刀具成分均為M42 高速鋼，符合設計要求。具體結果見表1.

表1 化學定量分析結果

2） 硬度檢查與分析

在錐度鉸刀刀齒部位取樣進行硬度分析，1#鉸刀硬度為HRC67.9～68.6，2#鉸刀相同取樣位置硬度為HRC66.6～66.8，2#鉸刀與1#鉸刀相比硬度略微偏低，1#鉸刀硬度在設計要求上限，部分點略高于要求，2#鉸刀硬度在要求中限。經試驗統計，相同加工條件下，1#鉸刀的壽命是2#鉸刀的5-10 倍。在加工高溫合金和非常粘刀的40CrNiMoA 材料時，硬度略高的1#刀具切削性能明顯優于2#刀具，相同幾何參數下，1#刀具切削刃更鋒利，加工時切削力更小，切削溫度更低，切削穩定性好，加工精度更高。同時刀具的耐磨性一方面也取決于硬度,刀具硬度越高耐磨性越好，另一方面與它的化學成分有關，1#刀具錳、鎢、鈷等對耐磨性影響較大的元素含量也明顯高于2#刀具，由此說明1#刀具的耐磨性更好，切削磨損失效速度低，刀具壽命更高。綜上所述，相同材料的刀具，由于組織成分的微小變化造成的硬度和耐磨性差異，對切削壽命影響較大。

2.2 涂層刀具

通過理化對比分析發現，刀具的材料性能差異對切削壽命影響很大，為了提升刀具切削性能，制定了刀具涂層的方案，在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高地難熔金屬化合物，錐螺栓孔加工質量有明顯改善。然而高速鋼刀具涂層難度較大，成本高，周期長，現階段供應商生產的涂層刀具質量不穩定，試驗時涂層脫落快，刀具壽命極不穩定，刀具的涂層技術在短期內難以獲得突破，由此未對涂層刀具繼續進行研究。但涂層刀具的試驗效果進一步表明，對刀具壽命和切削性能影響最大是刀具材料的硬度和耐磨性。

2.3 高硬度、高耐磨材料刀具

為了提高刀具壽命和切削性能，考慮改進刀具材料提升硬度和耐磨性。由于錐螺栓孔與渦輪軸存在干涉，加工懸伸長度非常大，不便于進行數控加工，現安裝加長接桿采用普通搖臂鉆床加工，切削穩定性較差，不宜采用硬質合金刀具，由此制定了高硬度、高耐磨的粉末高速鋼刀具的改進方案，與傳統高速鋼相比，粉末高速鋼的組織更加均勻，共晶碳化物尺寸小、無明顯偏聚，材料硬度、耐磨性更高，具有更加優良的切削性能。改進后錐螺栓孔的切削質量獲得顯著改善，刀具壽命大幅提升。

3 結語

通過對精密錐螺栓孔的工藝難點進行深入分析，剖析影響錐鉸刀切削的主要因素，試驗優化刀具幾何參數，提升了刀具切削質量和穩定性，對刀具材料性能進行對比分析，得出了材料硬度和耐磨性的微小差異對切削壽命影響較大的結論，由此改用高硬度、高耐磨的粉末高速鋼刀具，大幅提升了刀具壽命以及錐螺栓孔的加工質量。