某型航空發動機軸承座數控磨削工藝研究

鄧 旬 王 斌 黃金秋

（沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

軸承座類零件是某型航空發動機的主要承力部件，其材料為鑄造鈦合金。受零件自身結構剛性影響，加工后極易產生變形，同時，其與軸承配合的精密內孔因尺寸公差小（Φ180±0.009）mm，一次加工合格率極低，一直是限制零件生產效率和質量的瓶頸問題。在以往的研究中，大多針對零件加工的工藝路線、加工余量、工裝等進行改進，而在加工工藝方法上主要采用車削加工。該文主要以磨削加工為切入點，對磨削工具及參數進行試驗，掌握鈦合金軸承座零件磨削技術，以磨加工代替車加工使精度控制更高，提高表面質量。

1 研究內容

該研究借助BerthiesTVU1400/80T立式車磨復合機床，依托軸承座零件，通過磨削工具選擇、磨削余量試驗、加工參數試驗，最終總結出軸承座類零件車磨復合加工工藝，提高零件加工質量。

2 技術方案

2.1 軸承座磨削加工工序選擇

由于磨削加工相比車加工易獲得較高的尺寸精度和表面粗糙度，其更適合軸承座類零件的精密加工軸承座類零件的標準工藝流程已基本固化，從工藝路線中可初步確定采用磨削加工的工序。

軸承座類零件工藝路線：毛料—粗車加工—半精車加工—精車加工—鉆孔—銑加工—精修基準—精車軸承配合尺寸—熒光檢查—最終檢驗。

從工藝路線中可以看出，精修基準工序加工后的平面度是影響軸承精密配合尺寸一次加工合格的關鍵因素，而受零件結構、走刀路徑、工藝方法影響，基準面平面度始終無法控制到0.02mm以內，導致后續根據其進行基準面車加工精密止口后，經常產生裝夾變形，無法滿足（Φ180±0.009）mm的尺寸公差要求。因此優先對精修基準工序采用磨加工的工藝方法進行優化。

工藝要求精修基準后平面度不大于0.02mm，著色面積100%，表面粗糙度Ra0.8。由于加工表面存在多處孔及型槽結構，如圖1所示，車加工時處于斷屑切削的狀態，加工后無法滿足上述條件，須操作者用油石進行手動研磨。不但加工效率低且勞動強度大，質量穩定性差。

圖1 軸承座零件車加工后著色狀態及表面粗糙度

2.2 磨削工藝設計

在確定具體需要磨削的工序及部位后，對初始的磨削工藝方案進行設計，主要包括以下幾個方面。

進港航行A輪先從外海進入上海港北槽深水航道，途經圓圓沙警戒區、外高橋航道和外高橋沿岸航道，見圖1。北槽深水航道為人工疏浚航道，總長43 n mile，海圖水深為12.5 m，D12燈浮上下游的航道底寬分別為350 m和400 m，設標寬度分別為500 m和550 m。D13燈浮上游為往復流，D13燈浮下游為旋轉流。

軸承座材料為鈦合金，該材料耐熱性好，但是導熱性能差，導致磨削區溫度過熱，產生燒傷、裂紋等現象。同時高溫促進材料活性，導致鈦屑在砂輪上嚴重黏附，破壞砂輪耐用度。因此鈦合金是一種磨削性能較差的金屬。初步擬定采用綠碳化硅砂輪進行試驗，該材料導熱性好，可用于加工鈦合金；粒度選擇F60，組織疏松，硬度為中軟，以上三個參數的設置均是為了防止鈦合金的磨削燒傷。

軸承座基準面主要磨削部位如圖2所示。磨削時因外部有凸耳干涉，所以必須選擇單面凹砂輪。因空間較開闊，其尺寸大小無限制。但砂輪直徑越大，磨削時與零件接觸面積越大，不利于冷卻，易造成磨削燒傷，因此在條件允許的情況下應盡量縮小砂輪直徑。受砂輪芯軸尺寸限制，砂輪最小直徑須大于Φ100mm，初次試驗砂輪直徑暫定Φ120mm。在端面磨削時，將砂輪底面修整出一個2°的角度，以減少砂輪與零件的接觸面積。

圖2 零件磨削部位示意圖

由于磨削相比車削加工效率要低，因此，精修基準工序大部分余量采用車加工的工藝方法去除，端面剩余0.1mm的余量最終采用磨削的工藝方法去除，為防止產生磨削熱，應盡量減緩工件轉速，縮小每層的磨削深度。初始擬定工件轉速30m/s，磨削深度0.002mm/r。砂輪轉速選擇25m/s。由于加工余量較小，因此省去粗磨部分，直接進行精磨加工。在停止磨削時，需要光磨1~4個行程或一定時間，消除零件和機床彈性變形引起的誤差。

按照初始設定的參數對零件進行試驗，保證冷卻充足，加工后對零件表面燒傷情況進行觀察并采用粗糙度儀、千分表對表面粗糙度及跳動進行測量，結合試驗效果逐步對主軸轉速、主軸旋轉方向、進給量以及光整時間進行調整，不斷優化零件加工狀態。具體見表1。

表1 第一輪端面試驗數據

從磨加工試驗結果可以看出，在一定的磨削參數下，鈦合金零件表面的燒傷現象可以得到控制且磨加工后零件表面跳動相比車加工要好，但是零件加工后的表面光度達不到Ra0.8，分析原因為砂輪粒度太粗，組織過為疏松有關。計劃下一輪試驗中適當增加砂輪粒度。

本輪端面磨削經驗小結：1）順磨（主軸正轉）比逆磨（主軸反轉）能獲得更好的表面粗糙度；2）適當加快零件轉速有利于提高表面粗糙度；3）零件轉速過低或過高都易造成燒傷；4）降低每次進給，增加光整時間可減小端面跳動，提高表面粗糙度。

第二輪試驗使用砂輪為在第一次試驗數據的基礎上，對砂輪粒度進行了改進。砂輪粒度由60#分別提高至80#和120#，組織相比之前較為緊密，形狀仍為單面凹砂輪。試驗數據如表2所示。

表2 第二輪試驗數據

從第二輪試驗結果可以看出，120#砂輪在多組參數的條件下均產生了輕微燒傷，表明該種粒度的砂輪不適合磨削鈦合金，其組織較細密，碎屑容易堵塞砂輪，造成磨削溫度過高，燒傷零件，卸下砂輪后發現砂輪底面氣孔已被堵塞發黑。由于砂輪重新進行修整后仍產生燒傷零件的現象，因此，放棄120#砂輪的后續磨削試驗。

而80#砂輪與120#砂輪相比，其對本零件的磨削性能更為突出，在每層下屑量0.001mm，光整時間40s的情況下，其加工后零件表面粗糙度可達Ra0.58，滿足工藝中Ra0.8的要求且零件無燒傷跡象。卸下砂輪后觀察砂輪底面顏色正常，無磨屑堵塞氣孔。零件端面跳動0.01mm，著色面積可達100%，滿足零件加工需求。但是磨削后表面還存在磨削花紋及少量刮痕，如圖3所示。經過分析，可能有兩點原因造成該種情況。1）冷卻不足：加工過程中存在冷卻液澆注不到位、壓力低、不能及時帶走磨屑的情況，劃傷零件表面。后續將冷卻液入射角度及與砂輪距離進行了調整，對接觸部位進行直接冷卻，但加工后表面刮痕的情況無明顯改善。2）砂輪硬度低：考慮砂輪硬度較低（試驗砂輪硬度均為，中軟1級），磨料容易從砂輪上脫落，磨料脫落時劃傷零件表面且磨削過程中砂輪損耗較快，須經常進行修整，造成加工效率低。后續將對砂輪硬度或材質進行改進。

圖3 80#綠碳化硅磨削后示意圖

在前兩輪試驗的基礎上，第三輪試驗對砂輪的磨料進行了改進，磨料由綠碳化硅改為CBN（立方氮化硼），CBN是一種超硬磨料，在鈦合金磨削過程中能夠保持鋒利，損耗極小。其余砂輪參數與前期試驗后的結果保持一致。其試驗結果如表3所示。

經過多組參數的試驗，其表面雖未燒傷，但是加工后均出現圓狀斑點，斑點未凸出零件表面，如圖4所示。經過分析，造成這種情況的原因為高溫磨屑未及時排出，黏接到了零件表面。

圖4 CBN砂輪磨削后示意圖

由于CBN砂輪因其磨料硬度較高，無法利用機床自帶的金剛筆對其進行修整，因此在端面磨削時，其砂輪角度為0°，而綠碳化硅砂輪底面會修整出2°的角度。因此造成CBN砂輪磨削時與零件接觸面較大，冷卻不到位，磨屑不易排出，黏到零件表面形成圓形斑點。

為解決這一問題，對CBN砂輪的尺寸重新進行了調整，將砂輪直徑從Φ120mm調整至Φ106mm，其單邊寬度從10mm降低至3mm，大幅減少了磨削時的接觸面積，即使在不修整砂輪底面角度情況下，也能達到同樣的磨削效果。

采用改進后的CBN砂輪按表3參數進行試驗，經過驗證，改進后的CBN砂輪加工后零件表面無燒傷、劃痕、斑點等問題，表面狀態如圖5所示，表面粗糙度可達Ra0.36，端面跳動0.008mm，零件表面著色面積達100%，滿足工藝要求。且多次上刀后表面一致性好，無須修整砂輪，大幅提高了磨削效率。

圖5 改進后CBN砂輪磨削后示意圖

表3 第三輪試驗數據

結論：改進后的CBN砂輪在適當的參數條件下適宜鈦合金軸承座零件的端面磨削且質量穩定性高，可以作為批產零件使用的砂輪進行磨削。

2.3 成果固化、推廣

經過對軸承座零件多輪的磨削試驗，其端面磨加工技術已經較為成熟，磨削工具、參數均可實現固化。而從軸承座零件實際狀態來講，其基準面的平面度是影響精密尺寸（Φ180±0.009）mm的重要因素，可將端面磨應用到現場生產中。

經過評審，對現場30臺軸承座的零件進行“精修小端基準”工序的車磨復合工藝試驗，同時對現場該30臺軸承座的加工狀態進行跟蹤，在精修小端基準工序加工后，零件端面平面度在0.006mm~0.01mm，以該平面作為加工基準對其精密尺寸（Φ180±0.009）mm進行加工，加工后無裝夾變形，尺寸合格率大幅提升，能夠滿足生產需求。

3 結論

該文對鈦合金軸承座零件磨削工具以及磨加工參數進行多輪試驗和改進，最終摸索出一套質量穩定的車磨復合加工工藝用以指導現場生產，為鈦合金軸承座類家族零件的加工工藝突破指明了新的方向。