航空发动机涡轮机匣铣加工工艺研究
2014-10-13 来源：数控机床市场网 作者：沈阳黎明航空发动机 王涛 郝晓光
摘 要：本文通过刚性分析、工装自制、刀具试验、刀轨优化、变形控制等多方面入手，对美国普惠公司某型航空发动机涡轮机匣进行铣加工工艺研究。攻克了高温合金机匣复杂型面、腰槽及岛加工的诸多技术难题。积累了一定的大进给去余量、薄壁加工变形控制、辅助支撑工装设计等工艺经验。
关键词：高温合金；腰槽； 变形控制；飞碟铣刀
1 引言
该涡轮机匣材料为 INCONEL 高温合金，这些极具挑战的工件材料往往对加工造成诸多影响，一般对车削不会产生太大影响，而对铣削影响较大，往往需要多次铣削去除大量材料，这样耗费了大量的成本。传统铣削刀具不能高效率的完成该使命，铣削中的刀具迅速磨损及大量的切削热甚至会融化刀片。为此选用能够减少刀片切削刃的沟槽磨损，并能采用更高的进给量的铣削刀具，成为确保加工安全高效的关键所在。为了追求更大的推重比，机匣设计了大量采用岛、槽、筋等结构，这类结构的加工工艺就需要精心规划，往往需要设计大量非标刀具达到去除材料的目的，加工时还必需考虑到薄壁件的一些列加工变形问题。
本文就某 PW 涡轮机匣加工难点进行深入分析，精心设计铣加工工艺，并进行实际加工，摸索加工规律。
2 零件分析
2. 1 结构分析
该涡轮机匣为典型薄壁环形高温合金件，最大外圆为 1063mm ，高为130mm ，壁厚仅为 2.3mm 。主要结构有：
（1）大、小端面共有 130 个开口槽及 260 多处孔；
（2）靠近大端面内型有一加强筋，筋上有四组不同大小共 169 孔，其中有一直径仅为 2.18mm 的盲孔和 84 个直径为3.3mm 精度较高的铆接孔，筋的下端有42个 U 型窝；
（3）中部斜面上有四个不均布的岛，每个岛上有6处螺纹孔，其中两处为盲孔，每个岛子中间有内外不同心的孔；
（4）小端较为复杂，尤其是小端内型槽，属于凹陷的形式，加工十分困难，63 处偏心腰槽与底面为 25.5°，与喷涂槽相通，无论是加工还是喷涂，都是个挑战。
2. 2 加工难点分析
难点 1：零件大部分余量需要采用铣削的方式进行去除，特别是零件外型侧壁上，有近 17m m 余量，采用传统的整体硬质合金铣刀或盘铣刀，效率将十分低下；
难点 2：岛屿中心孔采用传统的钻削方式又会担心产生较大的变形，采用硬质合金刀具去余量，会消耗大量刀具，且效率十分低下；
难点 3:小端内型面的 63 处腰槽，宽度仅为 6.3mm ，长度为 17.27mm ，为保证零件加工精度，需要采用刀补程序，这样刀具选用就限定了一定的范围，还必需要求刀具具有一定的长度，防止出现加工碰撞。
3 加工难点解决方案
3. 1 斜面去余量解决方案
由于余量过大，采用了伊斯卡Φ40R2 飞碟铣刀进行粗去余量，严格沿切线切入、切出，防止出现打刀，并采用内冷方式对刀具进行冷却。如图 1 所示，加工一个型面需加工四刀，每加工一刀，观察并更换刀片，参数转速为 S=200r/min，f=350mm/min，ap=1mm 。将余量完全去除共消耗刀片 20 片。
由于切线切入切除，必然有较多残留，所以需要清根，同样也不选用效率低且成本高的整体硬质合金刀具，而选用山高 Φ32R6 可换刀片刀具进行加工。为防止出现打刀，将岛子每侧清根分成 5 个程序分层加工切削，参数为 S=400r/min，f=150mm/min，ap=1mm 。比传统硬质合铣刀去余量加工效率提高较多，同样降低了大量的刀具及人工成本，见图 1。
图 1 飞碟铣刀去斜面余量
3. 2 斜面岛子中间孔去余量解决方案
传统方案为采用 U 钻直接钻孔，这样会产生较大的力，会造成零件出现较大变形，而且容易出现零件窜动的现象，对夹具也是个考验。或者采用整体硬质合金钻头钻底孔后采用大直径合金铣刀铣孔，这样效率比较低，成本也较高。针对这些问题，决定选用而选用山高 Φ32R6 可换刀片刀具进行螺旋铣，这样既节省了刀具， 又提高了效率。 加工路线如图2所示。采用螺旋铣，铣出盲孔，为后续精铣加工留取足够的余量。切削参数为，S=397r/min，f=40mm/min，ap=1mm ，见图 2。
图 2 螺旋铣去余量
3. 4 铣 63 腰槽
首先，采用 D5R0. 2 铣刀铣出平面。采用 UG CAM 的 ZLEVEL 方式编制铣斜平面的程序，留取 0.5mm 余量。铣出该平面为打孔去余量做好准备。其次，采用 D3 钻头进行打点及钻孔，在腰槽中钻出 3 个孔，这样可去除大部分余量，也能有有效的预防 D5 铣刀的打刀现象。
采用 UGCAM 编制出钻孔程序。再次，采用 D5 铣刀进行粗铣。使用 UGCAM 的ZLEVEL 编制方式编制分层粗铣的方式，每层深度 0.5mm ，单边留取 0.2mm 余量。最后，采用 D5 铣刀进行精铣，使用 UCCAM 固定轴铣方式，编制轮廓程序，使用刀补进行加工，保证零件加工合格。加工时必须注意使用辅助支撑夹具对零件小端进行支撑，尽量降低加工时的切削振动，防止刀具断裂。
4 结语
通过 PW 公司零件新件研制任务的展开，对某涡轮机匣加工工艺进行了精心的规划设计，并尝试各种方案，攻克了诸多高压涡轮机匣研制的技术难题，在大进给去余量积累一定的经验，充分掌握了大进给铣刀使用方法，若涡轮机匣若采用切削刀具的耐热性更高且不易与工件材料产生化学反应，具有出色的抗沟槽磨损性能的陶瓷刀片，效率将会大大提高，同样也在腰槽加工刀具选用、参数选择、变形控制等方面取得一定的成果。这些经验为为我公司与 PW 公司长期合作打下了坚实的基础。
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