航空发动机中压涡轮短轴焊接技术

魏苗苗 李昱翰

摘 要：在中压涡轮焊接短轴的零件加工中，轴承环和封严齿的加工是整个零件加工的难点。轴承环的圆度、封严齿的轮廓度和跳动值都极易超差。本文通过对图纸要求的理解、加工路线的分析，针对关键磨削工艺开展了分析与改进，通过实际加工试验，验证了改进方案的可行性与有效性。

关键词：焊接短轴零件；轴承环圆度；芯轴；封严齿

中图分类号：V23 文献标志码：A

中压涡轮焊接短轴是某知名发动机公司发动机中的零件，零件由法兰环、镍基高温合金和低碳合金钢的轴承环组成。该中压涡轮焊接短轴零件的尺寸特征有289个，法兰环端面的平面度为0.02mm，作为后续加工中的轴向基准，轴承环外径为207.0455+/-0.0075mm，内径为189.038+/-0.023mm，圆度要求0.005mm，垂直度相对水平基准小于0.005mm，加工中易变形，加工难度很大。另外，该零件在加工结束后会通过8个销子，在有倒角的8个孔中，装配一个起到封严作用的内套在该零件的内腔中，这主要是因为这个零件的内径为189.038+/-0.023mm， 已经无法通过焊接方式再继续加工来达到设计的要求。由于短轴类零件属于发动机中的敏感类零件，各制造商在该零件的研制及加工过程中，通过对电子束焊工艺和磨削工艺过程的研究，实现对该类零件的国产化，为今后国内同类零件的加工提供一个可行性的方法。

该零件属于轴类薄壁旋转零件，形状复杂，加工过程中容易发生变形。

磨削加工过程中，磨床的相关机构控制着砂轮按照设定的运转方式和零件接触，从而切除零件的相应部分的材料，形成被磨表面。图纸所要求的如下技术指标：

（1）中压涡轮焊接短轴轴承环表面尺寸公差小于0.015mm。

（2）中压涡轮焊接短轴轴承环圆度要求0.005mm。

（3）中压涡轮焊接短轴轴承环垂直度相对水平基准小于0.005mm。

（4）中压涡轮焊接短轴靠近轴承环端的封严齿齿尖距0.366mm。

（5）法兰端的封严齿齿尖距0.2mm。

对以上易超差的特征尺寸，进行以下改进。

1 在线测量对零件的直径跟踪测量的应用

在传统的磨削加工领域，对精密加工零件的尺寸和形状误差大部分还采用静态测量的方法。静态测量是在加工完成之后进行的，所以只能反映加工后的几何参数，很难反映加工过程中的参数变化，磨削加工一般是由工人根据进给量凭经验判断，然后停机离线检测，如果没达到图纸要求，还得再次装夹，继续加工，这样也使得零件的超差率明显增高，而且效率低下。而在线测量系统的使用就可以通过测控系统来控制机床，从而实现减少人为的误差、提高产品一次合格率，提高了产品的精度，节省了时间。

本工序零件余量最大处0.05mm，轴承环部分的圆度要求是0.005mm。在加工过程中通过一个传感器对零件表面的径跳进行在线检测，然后将数据传输到便携式长度测量仪上，通过测量仪上指针的变化，从而来监测零件加工的情况。而且用温度补偿仪对直径测量尺寸进行补偿，经验值是温度每增加或减少1℃，直径补偿值是增加或减少0.002mm。但是不能超出零件的加工温度20℃+/-2℃。

在使用在线测量对零件的直径跟踪测量时，为达到提高零件表面粗糙度和生产效率的目的，在合理选择磨削速度、进给速度、切削深度、宽度和刀具类型等方面是至关重要的。工艺系统刚性弱是导致零件表面完整性好坏的主要原因，不能单纯地考虑机床的刚性，必须同时考虑零件、夹具以及刀具的刚性等因素。任何环节的刚性不足都会大大地降低砂轮的磨削性能和使用效率。本零件加工时使用的SCHAUDT公司生产的FlexGrind M1000S型万能外圆磨床具有良好的刚性、足够的功率，同时配以在线测量设备，同时采用外购芯轴对加工区域增加内部辅助支撑，这样极大地减小了加工过程中产生的应力而导致零件的变形。

2 避免压紧力过大导致零件变形

磨加工轴承环时，采用的夹具是芯轴和压盖，将芯轴穿在零件当中，两端使用压盖对零件进行定位和压紧，由于零件壁厚较薄，在压紧时力量过大，零件变形，虽然零件端面的平面度在0.005以内，压盖端面的平面度也在0.005范围以内，两者接触面的公差已经很小，但因为误差的存在，压紧力仍然是不均匀的，由于压盖和夹具之间接触面的力不同，零件会随弯就弯的发生变形。这种现象在装夹时是可以明显观察到的，零件在找正时能达到0.01的圆周跳动，一旦压紧压盖了，轴承环的圆周跳动立即发生很大的变化，甚至会达到0.09mm，说明零件在压紧过程中已经发生变形，在这种情况下磨加工，从机床的在线测量和打表测量来看，轴承环的圆度很好，当加工完成后，松开压盖，压紧力消失，零件恢復自由状态下的形状，圆度超差。所以在加工轴承环时，装夹的压紧力不能过大，使用限力扳手压紧，同时使用千分表观察零件的形状变化。在磨加工过程中也会出现因压紧力不足导致零件跑偏，操作者只要认真观察压在轴承环上的千分表的变化，当出现跑偏时只要立即停止加工，重新找正压紧加工即可，因为磨加工时砂轮的进给速度很小，并不会影响零件的质量。

3 机床两顶尖的保养

装夹零件的芯轴是通过机床上的两个顶尖和机床连接的，机床在最初装机调试的时候，是由磨床的厂家带来的效验棒来进行校验的，若两顶尖不同心，那么就会造成零件装夹后就是找正也是歪着的，所以要对机床的顶尖是否同心进行定期的校验。同时在日常加工前要检查顶尖的表面粗糙度是否符合要求，并检查顶尖和芯轴顶尖孔干净无杂质，使用专用的润滑油填满顶尖孔，确保在加工过程中足够润滑，加工零件前单独将芯轴安装在磨床上，打表检查定位面有无异常跳动。

4 保持金钢笔的锋利

在磨加工过程中需要反复使用金钢笔修正砂轮，金钢笔是否锋利，将直接影响砂轮表面的质量，而砂轮表面的质量将直接影响零件质量，所以每次加工前操作者需要检查金钢笔刀刃的情况，发现磨损立即更换，目前规定每磨加工8个零件，需更换金钢笔，以保证砂轮的表面质量。

5 环境因素

短轴属于关键件，为防止表面腐蚀，对加工环境的要求也很高，通常温度为20±2℃，温度的变化会使零件发生热胀冷缩现象，若温度过高，在加工过程中轴承环直径极易磨小，因而报废。所以要观察现场的实际温度。在磨床刚刚开机时不要立即加工零件，因为机床本身的各个部件还没有预热，精度会有所下降，同时砂轮必须时刻旋转，若不旋转，冷却液会一直冲刷砂轮的一侧，时间长了，砂轮被冲刷的一端的重量会比另一端大，砂轮平衡较差，在加工过程中砂轮会产生较大的振动，轴承环的表面会出现波纹，零件会被拒收。

通过以上的改进，零件合格率达到90%以上，满足了图纸的要求。

参考文献

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