高壓壓氣機盤內花鍵加工技術研究

王開封 柴樹林 喬雷

摘要：隨著我國大飛機的項目的啟動，帶來的是大型發動機的迫切需求，我公司承制了某型號發動機的研制。該型號發動機壓氣機轉子部件在設計過程中大量采用鈦合金材料，其中在高壓壓氣機多個級別中采用了鈦合金盤結構。高壓壓氣機盤的內花鍵尺寸精度高、位置度要求嚴格;材料為鈦合金TC6，具有易收縮變形特點，對于鈦合金材料易收縮變形特點，科學制定工藝方法，設計制造刀具，以保證壓氣機盤內花鍵尺寸及位置度精度要求。本文針對盤用銑削方式時內花鍵裂紋，如何優化工藝，提高抗疲勞強度，較詳細地介紹了盤內花鍵的拉削工藝，根據此加工方法加工的零件，完全滿足產品設計要求，質量和生產效率也大大提高。

Abstract： With the launch of China's large aircraft projects， there is an urgent need for large engines. Our company has undertaken the development of a certain type of engine. The rotor parts of this type of engine compressor are widely used in the design of titanium alloy materials. Among them， titanium alloy disc structures are used in many levels of high-pressure compressors. The internal spline of the high-pressure compressor disc has high dimensional accuracy and strict positional requirements. The material is titanium alloy TC6， which has the characteristics of easy shrinkage and deformation. For the easy shrinkage and deformation of titanium alloy materials， scientifically formulated process methods and design and manufacture tools to ensure the precision requirements of the size and position of the spline in the machine panel. This article aims at the internal spline cracks in the milling method of the disc， how to optimize the process and improve the fatigue strength， and introduces the broaching process of the spline in the disc in detail. The parts processed according to this processing method fully meet the product design requirements and quality. And production efficiency is also greatly improved.

關鍵詞：立式拉床;整體棒拉刀;內花鍵拉削;裂紋;拉削變形

Key words： vertical broaching machine;integral rod broach;internal spline broaching;crack;broaching deformation

0? 引言

某發動機高壓氣機盤與高壓壓氣機軸采用矩形內花鍵連接，傳遞扭矩大，花鍵根部易出現裂紋對發動機的安全是極大的隱患。由于內花鍵加工精度和技術要求很高，且材料為鈦合金，加工難度很大。傳統銑削內花鍵的加工方式采用立式加工中心配備小型彎頭進行加工，具有以下缺點：①盤在做疲勞試驗時花鍵根部裂紋，未達到設計規定的要求;②彎頭價格昂、容易磨損，修復后加工精度會降低;③零件加工時間長、設備效率低;④由設備間隙及分度間隙及加工該鍵槽過程中刀具“往復行程”造成產品質量不穩定性。

由于銑削加工這種低效率的工藝方法已經不能滿足批產的裝機需求，通過試驗了多種工藝加工零件，最終確定采取拉削方式加工矩形內花鍵，以達到解決零件花鍵根部裂紋、提高產品效率、質量的目的。新工藝需要解決和突破的關鍵技術：①用立式拉床設備采用整體拉刀一次成型矩形內花鍵且不允許有裂紋現象;②通過優化刀具結構參數，實現由兩把拉刀完成高壓壓氣機多個級盤矩形內花鍵的加工;③通過合理的方法控制薄壁類鈦合金零件在拉削過程中零件的變形，確保壓氣機盤內花鍵尺寸及位置度精度合格;④通過高效的拉削成型加工方式代替了步進量小，加工周期長且加工表面質量相對不夠好的銑削加工方式。

1? 主要技術內容

鑒于國內尚無如此高精度的盤內花鍵拉削加工工藝，為保證內花鍵尺寸和技術要求，只能專門針對內花鍵的特殊結構，裝夾采用自動定心并輔以防止變形工裝;通過刀具設計、刀具試驗、高精度整體棒式拉刀制造技術，優化刀具結構和加工過程各項參數;通過反復修磨拉刀、摸索拉削速度最終確定一個最佳參數;以合理的方法控制零件在拉削過程中的變形量，來實現盤內花鍵安全、流暢、穩定、高效加工。

1.1 壓氣機盤內花鍵的結構和技術現狀

航空發動機高壓壓氣機盤材料為鈦合金，零件上內花鍵部分為薄壁區域，且內花鍵設計精度高、表面光度要求高，如圖1所示。加工過程中會出現嚴重的讓刀現象和振刀嚴重、銑刀刀面崩刃、加工表面粗糙度低等問題。

1.2 技術難點分析和措施

①刀具精度要求極高，無相關專用設備無法達到尺寸要求。

②解決高壓壓氣機盤材料難加工的難題（鈦合金TC6），合理設計拉刀的齒升量、齒距，以解決各級盤內花鍵長度尺寸（拉削長度）不一致的問題。

③解決內花鍵拉削加工時拉削速度、冷卻及設備間的合理搭配的問題。

④解決被加工零件為薄壁類零件，需控制加工過程中的變形問題。

⑤解決內花鍵鍵槽寬度尺寸公差小、位置度要求嚴，檢測困難的技術難題。

1.3 刀具的設計及制造

刀具的設計考慮到各級壓氣機盤有效拉削長度及拉削空刀槽的長度不一致，最終通過確定為設計兩把拉刀達到分別滿足多個級壓氣機盤的拉削。刀具的精磨采用德國REFORM公司拉刀磨ZSM3000-G（如圖2）制造，該設備分度精度為3″，對拉刀的精度檢查為：分度精度為0.005mm。

高壓壓氣機中有多個級的材料為TC6，此材料具有變形系數小、切削溫度高、單位面積上的切削力大、刀具易磨損等特點。切削內花鍵時，由于導熱系數很小，切削時熱量不易導出，溫度很高;同時單位面積上的切削力很大，容易造成蹦刃，另外，由于鈦合金對刀具材料的化學親和性很好，在切削溫度高且單位面積上的切削力大的狀態下，很容易粘刀并加速刀具磨損。針對上面的難點，選用了進口S500高速鋼材料;同時在刀具幾何角度及結構參數：前角、后角、刃帶后角、寬度、齒升量、齒距、容屑槽、分屑槽的選擇上進行了優化：故而選取拉刀前角為15°，后角則根據粗精切削刃選取3°和1.5°不同的角度;刃帶后角根據粗精切削刃選取60°和50°不同的角度;寬度為0.05和0.2～0.6不等;考慮到鈦合金的切削性較差，選取較小的齒升量，齒升量為0.02、0.015、0.01不等;考慮到刀齒周期性地切入、切出，引起拉削力和拉削速度周期性變化，會造成零件產生環形波紋，為避免該類問題發生需要增加同時工作齒數，所以齒距選取為6.5、8.5、5.5不等距分布，拉刀實物見圖3。

1.4 針對零件為薄壁件，在加工過程中對零件進行變形控制

內花鍵結構區域，最薄壁厚尺寸只有1.5mm，零件在拉削過程中會受到拉刀的徑向力作用，同時拉刀的切削刃與零件之間產生熱量，所以零件會產生膨脹變形，待到拉削過后零件內孔會收縮回彈，導致尺寸超差。

①拉刀尺寸設計制造過程中考慮到零件收縮量，將刀具尺寸按上差加工。

②加工過程中對零件和刀具進行冷卻，控制局部溫度;采用環形管均布的方式對拉刀和零件進行全方位的冷卻。

③加工過程中對零件進行約束，防止零件在加工過程中受到拉削時產生的徑向力膨脹變形，為減小零件在拉削過程中膨脹與收縮專門增加套箍，箍在零件的外圓（如圖4）。

1.5 針對拉削加工的自定心原理，設計了拉削時的支撐工裝

支撐工裝如圖5所示，該支撐夾具一端與拉床連接，另一面作為零件的支撐面，支撐工裝結構如圖5所示，因確保了支撐夾具兩面的平行度及外圓與基準A的垂直度，在加工過程中只需將零件放在該支撐夾具上進行粗找正，然后由拉刀前端的錐形引導部位定心保證零件的同軸度。

2? 結論

本工藝方法已全部解決和突破了這些關鍵技術。首次在我國實現了航空發動機高壓壓氣機盤內花鍵的拉削加工技術。要實現內花鍵加工，保證其設計要求，只能專門針對內花鍵的特殊結構，通過復雜成型刀具設計、高精度制造技術，反復試驗、優化參數。并使刀具參數、刀桿、和設備之間的完美配合，才能實現盤內花鍵安全、流暢、高效加工，確保科研生產的順利進行。

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