航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件止口表面質(zhì)量控制技術(shù)研究

馬明陽，周 鑫，趙天楊

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

零件加工表面質(zhì)量是評價(jià)是否滿足加工要求的重要指標(biāo)之一，通常情況下采用表面粗糙度、波紋度和形狀誤差等表面形貌指標(biāo)來評價(jià)零件的加工表面質(zhì)量。其中，表面粗糙度是定量表征零件加工表面質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，與零件的表面性能密切相關(guān)。零件表面粗糙度較大時(shí)，會(huì)使配合的接觸面積減小，造成單位面積承受的壓力增大，零件表面接觸變形增加，導(dǎo)致零件表面磨損加快，最終影響零件的使用性能。此外，零件表面粗糙度過大，一部分表面容易積聚腐蝕性物質(zhì)，造成表面發(fā)生腐蝕；另一部分表面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋等缺陷產(chǎn)生。

隨著新型、高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件大量采用新結(jié)構(gòu)、新材料與新技術(shù)，零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸精度要求越來越高，加工時(shí)易變形。傳統(tǒng)的加工方式已經(jīng)無法滿足盤類零件關(guān)鍵部位的加工要求，止口部位是盤類零件的加工難點(diǎn)之一，隨著表面質(zhì)量要求和工藝控制要求的提高，止口部位的加工難度極大地增加，同時(shí)也增大了加工結(jié)果的檢測難度。本文通過調(diào)整走刀軌跡，基于均衡切削載荷余量分布的方式，對盤類零件的止口部位進(jìn)行工藝方法和工藝參數(shù)優(yōu)化，有效地保證了止口部位的加工質(zhì)量。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

本文以某整體盤軸零件為例，該零件具有輻板壁懸伸長、壁厚薄等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖1所示，該零件共有三處止口結(jié)構(gòu)，止口位置尺寸精度要求高，三處止口尺寸分別為前止口

R

1.75，后止口

R

1.25，內(nèi)止口

R

1。隨著轉(zhuǎn)角半徑

R

尺寸的降低，止口位置的加工和檢測難度顯著上升，其中在內(nèi)止口處表現(xiàn)得尤為明顯。一方面由于刀具懸長的影響，加工過程中容易產(chǎn)生顫振，進(jìn)而影響加工質(zhì)量；另一方面受限于半封閉內(nèi)腔的影響，檢測時(shí)測頭無法達(dá)到測試位置，多方面原因制約著零件加工精度的提高和加工質(zhì)量的保證。由于設(shè)計(jì)要求的提高，該整體盤軸零件止口部位的表面粗糙度值由Ra1.6提高到Ra0.8，按照傳統(tǒng)的加工方式，機(jī)床采用永泉數(shù)控臥車，刀具選擇半徑Ra0.8的35°偏刀片，走刀方式為多次同向進(jìn)刀，前止口加工表面粗糙度能夠滿足要求，但是加工效率較低，后止口加工無法滿足表面粗糙度指標(biāo)要求，具體加工數(shù)據(jù)及表面粗糙度檢測結(jié)果見表1。

圖1 某整體盤軸零件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 前后止口加工數(shù)據(jù)及表面粗糙度檢測結(jié)果

?

從實(shí)際加工結(jié)果發(fā)現(xiàn)，零件加工后，刀具后刀面磨損嚴(yán)重，零件表面有明顯的溝痕和振紋，采用傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化方式，僅對轉(zhuǎn)速、進(jìn)給和切深等三項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，無法滿足粗糙度的加工要求，隨著止口處半徑的減小，加工難度大幅提升，利用現(xiàn)有方式，存在內(nèi)止口加工后表面粗糙度指標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)、前止口加工效率低下等問題。止口位置走刀方式示意圖如圖2所示。

圖2 止口位置走刀方式示意圖

3 工藝方案改進(jìn)

（1）走刀軌跡優(yōu)化

盤類零件止口位置采用多次同向進(jìn)刀的方式進(jìn)行切削加工，刀具主切削刃、副切削刃均參與切削，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，零件表面存在明顯的振紋和溝痕，因此，應(yīng)盡量保證刀具的主切削刃承擔(dān)主要的切削工作，基于此原則，對止口位置的走刀軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃，采用交替變換進(jìn)刀方向的方式對走刀軌跡進(jìn)行重新規(guī)劃，如圖3所示，交替變換進(jìn)刀方向是指下一刀的切削軌跡與前一刀的切削軌跡的方向相反，直到去除全部的加工余量，完成走刀軌跡規(guī)劃，以保證主切削刃始終參與切削，能夠有效提高切削效率，延長刀具壽命。

圖3 走刀軌跡優(yōu)化

（2）基于均衡切削載荷的加工余量分配

零件切削加工過程中，切削載荷是不斷變化的，加工余量增大時(shí)，切削載荷隨之增加。盤類零件止口位置的加工余量通常采用等余量方式分布，在切削加工過程中轉(zhuǎn)角部位由于余量較大，導(dǎo)致切削加工過程中切削載荷增加，使零件加工過程中切削載荷分布不均勻，加工過程出現(xiàn)振動(dòng)，影響零件表面加工質(zhì)量。基于均衡切削載荷進(jìn)行加工余量分配，是指根據(jù)零件加工過程中切削載荷的分布情況，對加工余量進(jìn)行分配，遵循切削載荷較小時(shí)增加加工余量、切削載荷較大時(shí)減少加工的原則。借助物理仿真分析技術(shù)對加工過程中的切削載荷分布情況進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對不同部位的加工余量進(jìn)行重新分配，堅(jiān)持“該多則多、該少則少”的原則，以保持零件過渡部位在加工中切削載荷的均衡，確保振動(dòng)源頻譜趨于平緩，從而達(dá)到提高零件表面質(zhì)量、抑振的目的。

針對該整體盤軸零件，對止口位置加工余量進(jìn)行調(diào)整，如圖4所示，將原有的軸向和徑向原有的等比例余量分布調(diào)整為徑向和軸向余量比為3：1分布，應(yīng)用物理仿真PM軟件對兩種余量分布狀態(tài)的切削載荷進(jìn)行仿真分析，仿真分析結(jié)果如圖5所示。通過仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非等余量分布所產(chǎn)生的切削力要小于等余量分布，同時(shí)，非等余量分布所需要的切削時(shí)間也較等余量分布所需要的切削時(shí)間短，由此證明，適合零件結(jié)構(gòu)的非等余量分布能夠保證加工過程穩(wěn)定，有效提高零件的加工質(zhì)量，縮短加工時(shí)間。

圖4 余量分布示意圖

圖5 切削載荷分布情況

（3）基于理論計(jì)算確定加工參數(shù)

合理的加工參數(shù)是保證零件加工質(zhì)量和加工效率的重要因素，其中進(jìn)給量對零件表面粗糙度指標(biāo)的影響較大，加工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，傳統(tǒng)公式中在進(jìn)給量與表面粗糙度關(guān)聯(lián)關(guān)系的預(yù)測準(zhǔn)確性不高，無法根據(jù)表面粗糙度指標(biāo)要求計(jì)算出合理的進(jìn)給量，本文通過對圓弧刃刀具切削時(shí)理論粗糙度計(jì)算公式的改進(jìn)，得出加工過程中加工區(qū)域轉(zhuǎn)角半徑

R

、刀具圓角

r

、進(jìn)給量

f

對粗糙的影響關(guān)系，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算數(shù)據(jù)替代經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變。改進(jìn)后的公式如下

圖6 表面粗糙度計(jì)算示意圖

4 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)工藝改進(jìn)方案，以該整體盤軸零件前止口加工為例進(jìn)行加工驗(yàn)證。走刀軌跡采用交替變換進(jìn)刀方式進(jìn)行規(guī)劃，按照均衡切削載荷的原則對刀具主切削刃和服切削刃的切削深度進(jìn)行重新設(shè)置，重新規(guī)劃加工參數(shù)后，各參數(shù)具體數(shù)值見表2。完成零件加工后，應(yīng)用Taylor檢測儀對前止口位置的表面粗糙度豎直進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表3，該止口位置的表面粗糙度檢測值滿足Ra0.8的設(shè)計(jì)要求。對比優(yōu)化前后的零件加工狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)前止口部位表面光潔度較高，表面檢測結(jié)果一致性良好，刀具磨損情況有較大改善，加工效率明顯提高，由原來的120 min縮減到70 min。該技術(shù)已在同類型產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了推廣應(yīng)用。止口位置表面粗糙度檢測結(jié)果如圖7所示。

表2 前止口加工參數(shù)優(yōu)化

?

表3 檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

?

圖7 止口位置表面粗糙度檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

整體盤軸零件止口部位是加工難點(diǎn)之一，隨著止口位置工藝控制要求的提高，增加了零件的加工難度，通過調(diào)整走刀軌跡，基于均衡切削載荷余量分布的方式進(jìn)行工藝方法優(yōu)化、工藝參數(shù)優(yōu)化，能夠顯著提高零件的加工質(zhì)量和加工效率。