航空封嚴二級盤孔加工工藝研究

黃強

中國航發西安航空發動機有限公司 陜西西安 710021

1 序言

航空封嚴二級盤剛性差，在裝夾過程中因受到夾緊力、支撐力、切削力和殘余應力的影響，極易產生變形，導致零件加工后出現變形，孔加工后精度較差。通過對二級盤零件結構及定位尺寸進行分析，選擇穩定、可靠的定位裝夾方式，設計適用于零件孔加工輔助支撐夾具，保證被加工零件在夾具上獲得最佳的定位位置，在加工過程中，防止由于切削力改變導致零件位置改變使零件產生變形。通過對刀具設計方案進行改進、優化孔加工策略，提出航空封嚴二級盤孔加工工藝方法，并進行了試驗驗證。

2 零件材料及結構特征

2.1 材料分析

航空封嚴二級盤零件材料為GH4720Li合金，該合金是一種高性能且以鉬、鎢、鉻、鈷固溶強化的高強度和耐腐蝕的新型鎳基變形高溫合金，其合金化程度非常高。該合金中的Ti和Al元素含量之和高達7.5%，合金中的主要強化相γ′體積分數超過40%，因此具有優異的高溫力學性能和較高的使用溫度，其主要用于在650～750℃使用的航空發動機封嚴二級盤（見圖1）和渦輪盤，以及在短時間內用于在900℃使用的渦輪盤零件中。

圖1 航空封嚴二級盤

GH4720Li合金是在GH4720的基礎上改良設計的，GH4720Li合金通過降低高溫合金中Co、C和B的含量而發展起來的。Co含量的降低使合金析出拓撲密堆相的傾向性下降，降低間隙元素C和B含量，使晶界上鏈狀碳化物和硼化物的數量逐漸減少,使合金的組織穩定性及綜合力學性能得到提高。GH4720Li合金作為航空封嚴二級盤常用材料，其高溫下的抗氧化性能強，是設計制造發動機的優良材料，其合金化學成分見表1。

表1 GH4720Li合金化學成分（質量分數）（%）

GH4720Li是一種高強度、高硬度鎳基變形高溫合金，在650～750℃高溫環境下性能穩定。經過試切試驗，分析GH4720Li在切削時有以下特點。

（1）材料彈性變形大 零件在加工時，切屑在刀具前刀面上的滑動摩擦大，加工后零件表面回彈量大，刀具后刀面與零件摩擦嚴重，加工后零件表面質量較差。

（2）材料黏性大 切削過程中不易斷屑，切屑纏繞使切削熱不能及時散去，且易劃傷零件已加工表面。

（3）材料的導熱性差 切削區域溫度高，加工后材料易產生塑性變形。

2.2 零件結構分析

航空封嚴二級盤零件為旋轉體結構，零件最大外徑尺寸φ144.4mm，內孔尺寸φ75.75mm，總高度19.2mm，壁厚尺寸1.0～1.5mm，零件前端中部腹板上沿徑向均布40個孔，孔徑孔位置度0.1mm（見圖2）。二級盤的前端有兩處不規則的端面槽，端面槽沿著與徑向成不同角度的軸線分別向內、外延伸形成上、下凹槽，二級盤后端由端面槽與圓弧面組成。在孔加工時，零件定位面及支撐面較小，定位面與壓緊面可靠性差，定位裝夾穩定性差，使用夾具裝夾時，零件受壓板的壓緊力與零件內部支撐力相互作用，使零件內部產生內應力，加工后零件變形，孔加工精度較差。

圖2 孔及圓弧槽示意

封嚴二級盤徑向孔所在外圓距離封嚴齒齒頂距離20mm，使用標準鉆頭及擴孔刀加工時，小直徑刀具懸伸較長，刀具在切削過程中由于跳動較大，導致加工后孔表面質量較差、孔徑公差及位置精度較難保證。刀具切削時跳動過大，會加速鉆尖磨損，縮短刀具使用壽命，甚至導致斷刀，嚴重影響零件孔加工合格率及穩定性。

2.3 零件特征說明

（1）精度高 孔徑公差嚴，位置精度要求較高。

（2）定位結構差 定位面及壓緊面較小，定位可靠性差，定位裝夾穩定性差。

（3）加工工藝性差 孔加工刀具懸伸長，加工后孔精度差，易斷刀。

3 零件定位裝夾

3.1 夾具與夾緊力

控制定位裝夾變形是保證封嚴二級盤零件孔加工質量的關鍵。通過對二級盤零件結構尺寸及變形進行分析，在眾多的孔加工工藝方案中，如鉆床鉆孔、電火花加工孔和加工中心鉆孔等，裝夾方案均是影響孔加工質量的重要因素。夾具與零件定位面及壓緊面的選擇對零件加工質量有很大影響，目前在夾具設計時普遍存在的問題是：設計隨意性大、規范性和可替換性差；夾具設計資源沒有得到有效管理，不同夾具之間通用性較差；夾具設計質量取決于個人的經驗技術，夾具設計后優化較少。因此，二級盤零件夾具的設計質量是影響孔加工工藝的關鍵因素。

封嚴二級盤在定位時，在不同的夾具定位結構、壓緊點布局、夾緊力的情況下進行定位裝夾，產生的裝夾變形完全不同，壓緊時在零件表面產生的殘余應力也不相同，不同的殘余應力會使零件產生不規則的變形。夾具壓板在零件外圍的分布情況構成了夾具的壓緊力布局；夾緊壓板對零件施加用于壓緊零件、使零件在切削時保持穩定的作用力；夾具布局和夾緊力相互影響，共同作用于被加工的零件，制約并影響零件的加工質量。

對于結構相似的零件，加工工藝方法相同時，若夾具設計不同，其所需的夾緊力大小也不相同。在不同的夾具設計和夾緊力作用下，零件壓緊時因所受外力不同，導致零件的定位剛性也不相同，加工后零件的變形量則不同，導致產生不同的加工誤差。選擇合理的夾具布局和適當的夾緊力，使零件加工變形小，可提高加工質量；相反則會增大加工變形。所以，夾具結構的合理性和夾緊力的大小是夾具設計的重要方面。

3.2 夾具設計及結構

封嚴二級盤零件是航空發動機的重要組成部分，其結構特點是尺寸小、型面復雜、壁薄且零件定位裝夾繁瑣。對于涉及孔加工的零件，其定位方法很多，但對于型面復雜、零件定位面剛性差及定位面與夾具很難形成有效接觸的零件，常規定位夾具無法對零件進行定位，由于缺乏穩定可靠的定位夾緊面，零件在加工時懸空，受力不均衡，零件薄壁部分在加工后會發生翹曲變形，零件孔在加工后位置精度差，這種常規夾具定位可靠性差，夾具對零件無法進行有效夾緊，零件在加工后變形無法修復。因此，為提高導流封嚴盤零件小孔加工的可靠性，消除零件定位時的不穩定因素，設計了用于二級盤孔加工的輔助支撐夾具，確定合理的定位面及支撐面，從而達到改善定位狀態、提高零件定位精度和零件孔加工合格率的目的。

通過對封嚴二級盤零件結構及尺寸進行分析，設計了一種用于封嚴二級盤零件孔加工的輔助支撐夾具，在零件圓弧定位部分設置了浮動環，有效地提高了零件的整體剛性。通過設置“弓”形壓板，既保證了零件夾緊的可靠性，又縮小了夾具外部結構尺寸，避免鉆頭在鉆孔加工時與夾具干涉，“弓”形壓板較普通的平壓板節省空間，加工小孔時，刀具可最大程度地接近被加工工件，刀柄距離零件越近，可設計的刀具剛性越好，如圖3所示。

圖3 封嚴二級盤零件孔加工輔助支撐夾具

封嚴二級盤小孔加工的定位支撐夾具設有夾具底座，底座兩端分別設置“U”形槽；夾具底座中心設置圓柱形套筒，套筒上端沿圓周方向設置環形槽，環形槽中沿底座的中心均勻設置聯接孔，圓柱形套筒沿徑向均勻設置螺紋底孔；夾具底座上端中心位置設計通孔，且上端沿周向均勻分布螺紋底孔。

定位支撐夾具底座上端環形槽中設置浮動環，浮動環的下端設置支撐銷，支撐銷穿設在聯接孔中，支撐銷的下端與支撐板聯接，浮動環上放置零件。所述夾具底座上端面設置壓蓋，壓蓋上穿設有內六角圓柱頭螺釘，所述螺釘與壓蓋中間穿設開口墊圈，如圖4所示。

圖4 定位支撐夾具

夾具底座沿徑向設置壓板，壓板中間穿設有內六角圓柱頭螺釘，所述壓蓋中心穿設內六角圓柱頭螺釘，內六角圓柱頭螺釘的另一端與支撐板聯接，內六角圓柱頭螺釘的下端設置球面墊圈和六角薄螺母。

夾具底座與圓柱形套筒為一體化設計，螺紋底孔和聯接孔設置于同心的圓周上，其特征在于：螺紋底孔設置3處，聯接孔設置3處。所述的開口墊圈設置3個，螺釘設置3個。支撐銷設置3個，壓板設置5個，內六角圓柱頭螺釘設置5個，六角薄螺母設置2個。內六角圓柱頭螺釘穿設于支撐板的中心孔，其末端與球面墊圈及六角薄螺母聯接。

3.3 “弓”形壓板及輔助支撐

（1）工作原理介紹 通過設置“弓”形壓板，縮小了夾具整體外部結構的尺寸，壓緊“弓”形壓板前，擰緊螺釘，螺釘受力F1帶動“弓”形壓板沿S1方向向夾具中心位置移動，壓板下方與夾具接觸處為角度斜面，壓板沿S1方向移動的同時沿S2方向斜向下滑動，進一步帶動“弓”形壓板沿S3方向向下移動，壓板與零件接觸面受力向下沿S4壓緊零件，如圖5所示。

圖5 “弓”形壓板工作原理

“弓”形壓板用壓緊螺釘壓緊時，在夾具本體上設置與“弓”形壓板配合的凹槽，“弓”形壓板的寬度略窄于凹槽的寬度，壓緊螺釘時，“弓”形壓板的下端被限制在凹槽中，可以防止壓板繞凸起轉動導致脫離工件，提高“弓”形壓板壓緊的穩定性，如圖6所示。

圖6 “弓”形壓板定位

通過設置輔助支撐，擰緊內六角圓柱頭螺釘（見圖7），螺釘沿T1方向向上拉緊螺桿，螺釘下方通過設置球面墊圈和六角薄螺母并與支撐板聯接，螺桿拉動支撐板沿T2方向向上移動，支撐板上設置了3處支撐銷，支撐銷受力頂起浮動環，使浮動環沿T3方向支撐零件下端，對零件形成輔助支撐作用。輔助支撐使用時，螺釘末端的兩個六角薄螺母相互鎖緊，球面墊圈為活動墊圈，墊圈與支撐板的配合面做研磨處理并涂覆潤滑油，支撐銷沿周向設置3處，可以防止螺釘轉動時支撐板整體轉動，提高零件定位精度及穩定性。

圖7 輔助支撐工作原理

（2）夾具使用方法 ①將夾具底座放在數控加工中心工作臺上，用螺釘穿過夾具底座兩端設置的開口“U”形槽，將夾具底座固定在工作臺上。②安裝航空封嚴二級盤零件時，將零件放置在浮動環上，轉動內六角圓柱頭螺釘，拉動支撐板向上移動，支撐板帶動3個支撐銷向上移動，支撐銷將浮動環頂起，使浮動環的上端定位面與零件的下端定位面貼合。③依次安裝“弓”形壓板，安裝時，將壓板的上端定位面壓在零件的端面上，壓板的下端與圓柱形套筒的“V”形槽貼合，擰緊內六角圓柱頭螺釘，壓板受力壓緊零件。④安裝壓蓋，壓蓋的下端定位面與封嚴二級盤上端面貼合，分別安裝3處開口墊圈及3處內六角圓柱頭螺釘，擰緊內六角圓柱頭螺釘，使壓蓋固定。⑤安裝刀具，加工零件的徑向小孔。

（3）夾具使用注意事項 “弓”形壓板壓緊時，首先應以較小壓緊力將壓板依次固定，再使用合適的壓緊力將壓板壓緊，避免直接壓緊壓板導致零件受力不均而產生壓緊變形。

使用扳手擰緊螺釘時，可使用扭矩扳手，扳手預緊力選擇5N·m，5處“弓”形壓板的壓緊力應保持一致。

使用輔助支撐時，施加在內六角圓柱頭螺釘上的拉緊力應適當，以浮動環接觸零件下端圓弧面為宜，實際操作時，可在零件小端面處壓上杠桿百分表，調整輔助支撐時，應控制零件小端面受力后變化量≤0.005mm。

3.4 定位夾具的優點

與常規定位夾具相比，封嚴二級盤小孔加工的定位支撐夾具有以下優點。

1）夾具通過設置可調整的浮動環，通過轉動內六角圓柱頭螺釘，使浮動環的位置上、下調整，以適應不同導流封嚴盤零件的定位要求。調整浮動環后，二級盤零件下端面與浮動環上端面貼合，以此提高零件自身剛性，消除或減弱零件在壓緊狀態下因剛性不足產生的壓緊變形，提高浮動環與零件的配合精度。

2）夾具通過設置“弓”形壓板，縮小了夾具整體外部結構的尺寸，使壓板向下壓緊零件，保證了零件夾緊的可靠性，避免鉆頭在鉆孔加工時與夾具干涉，夾具節約的空間，為刀具結構優化奠定了基礎。

3）夾具通過設置壓蓋，壓蓋外圓與二級盤零件的孔壁內側貼合，提高了零件孔壁的剛性，蓋板外圓處設置有空刀槽，避免鉆頭加工時與壓蓋干涉，利于孔加工排屑。

4 孔加工工藝方法

4.1 鉆孔加工

按通常的概念，深孔是指長徑比L/D＞5～20的孔，對于封嚴二級盤零件，孔的有效深度只有2mm，但由于零件結構限制，加工刀具需伸長至20mm，否則刀柄會與零件外圓處封嚴齒頂干涉。零件孔加工采用麻花鉆，在普通鉆床或加工中心上進行加工。零件孔加工屬于半封閉式切削，在加工孔時主要存在斷屑難、排屑不暢、散熱差和導向不穩定等問題，在使用較長的刀具加工二級盤零件的孔時表現得更為明顯，主要表現在以下幾個方面：刀具直徑小，鉆孔時不能目視觀察刀具的切削情況，鉆孔過程中只能通過聽聲音、觀察切屑排出情況、觀察儀表負載的變化及刀具振動等情況，來判斷鉆孔加工過程是否正常；鉆頭的長徑比較大，刀桿細而長，刀具剛性差，高速旋轉后跳動大，刀具振動較大，鉆孔時會偏斜，加工后，孔的尺寸精度和表面粗糙度較差；切屑排出困難，刀具伸入二級盤零件端面槽內，切削液無法直接澆注到切削部位，加工時產生的切屑不易排出，導致切削力增大，刀具磨損較快，縮短刀具壽命；切削時散熱較差，刀具切削環境差；為了使切削斷屑，刀具設計有分屑、斷屑槽，刀具設計制造成本高。

4.2 刀具方案

分析封嚴二級盤零件結構尺寸認為，在零件使用專用定位支撐夾具后，零件定位剛性較好，零件定位后變形較小，可充分利用零件結構，設計剛性較好的變徑加工刀具。變徑刀具（見圖8b）前端切削刃部分直徑為1.73mm，有效切削長度5mm，刀具后端直徑為2.4mm，與前端帶切削刃部分圓滑過渡，避免刀具制造及加工時產生的應力集中使刀具斷裂。為最大程度縮短刀具懸伸部分的長度，裝夾選擇錐形刀柄，錐形前端刀柄與零件封嚴齒頂保持最小0.5mm間隙，變徑刀具后端2.4mm直徑與二級盤端面間隙0.1mm。變徑刀具由于直徑較大，刀具懸伸部分較短，刀具制造及安裝精度提高，刀具安裝后在機床上跳動可控制在0.01mm以內。鉆頭加工時，刀具切削穩定，刀具壽命滿足設計使用壽命，孔加工后尺寸滿足要求。

圖8 刀具加工示意

4.3 參數試驗

根據封嚴二級盤孔加工工藝和刀具方案，選用株洲鉆石生產的φ1.73mm硬質合金涂層變徑鉆頭，進行鉆孔加工試驗，鉆孔加工表面粗糙度值應滿足Ra＝1.6μm。

機床選用菲迪亞HS664帶轉臺五軸加工中心，最高額定轉速為20000r/min，最高進給速度為8000mm/min，主軸功率為65kW，刀具夾持使用錐形刀柄。鉆孔加工參數試驗結果見表2。

表2 φ1.73mm鉆頭切削試驗

現場對同批次二級盤零件按照每7件為一組進行鉆孔試驗，通過對不同加工參數、方法加工后的零件端面變形及孔表面粗糙度進行統計，對比鉆孔加工前后的零件端面的變形量及加工后的合格率，在使用專用定位支撐夾具后，零件加工前、后變形均滿足要求，鉆孔切削速度較低時，加工后孔表面質量較好，切削進給速度越高，孔加工效率越高，但加工后孔表面質量不穩定。

通過試驗得出滿足孔加工表面粗糙度要求，加工時間最短的切削加工參數為：主軸轉速n＝5000 r/min，每分鐘進給量fz＝15mm，線速度v＝27m/min。

5 結束語

通過對航空封嚴二級盤零件材料及結構特點進行分析，選擇穩定、可靠的定位面與壓緊面，闡述了定位夾具與壓緊力的關系，設計了適用于零件孔加工的輔助支撐夾具，優化了刀具方案及孔加工工藝方法，并對鉆孔加工參數進行了試驗，提出了適用于航空封嚴二級盤孔的加工工藝方法，確定了滿足孔加工要求的加工參數。