航空发动机中压涡轮焊接轴颈工艺改进

魏苗苗 李昱翰 冯业凯 陈惠娟 朱德生

摘 要：本文主要研究的是民航客机发动机的中压涡轮焊接轴颈相关加工工艺方法和工艺改进问题。本文首先对现有的加工工艺进行分析，调整了不合理的磨削工序，对磨削加工工艺进行了相关的分析，调整用外圆磨设备来加工原来用内圆磨设备磨削的外圆封严齿，加工效率和零件合格率分别提高50%和90%。

关键词：焊接轴颈零件；磨削加工；工艺路线

中图分类号：V23 文献标志码：A

1 工艺路线的分析

1.1 现有工艺路线分析

中壓涡轮焊接轴颈的加工过程中，合理的工艺路线才能保证零件满足图纸。依照图纸要求，将法兰环和轴承环经电子束焊焊接后，再进行后续的加工，其中磨削加工在该类零件的加工过程中是最重要的工序。

选用磨削工艺对零件进行加工的主要原因如下：

（1）对零件的精度要求高，该零件的轴承环精度为0.005mm，只有高精度的数控磨削设备才能加工出满足零件关键特性尺寸的零件。

（2）材料硬度高，零件经过渗碳热处理工序的轴承环硬度可达韦氏硬度675以上。因此外圆磨床选用的砂轮直径为 750mm 的白刚玉砂轮，工砂轮宽度为100mm，从而可以保证零件轴承环表面粗糙度Ra0.2mm的图纸要求。

根据图纸上的技术和公差要求以及磨削工艺的主要特点，经过实验，得出如下现行加工工艺路线：

毛坯→电子束焊→去应力处理→硬度测试→研磨→环磨→磨轴承环外圆→车法兰端面及内孔→车法兰内孔及外圆→磨法兰面→钻孔→光→硝酸腐蚀和去黑斑→磨轴承环端面→车封严齿→研磨→磨法兰环端面和内孔→磨轴承环及封严齿→磨封严齿→磨内孔→磨法兰端面和内孔→标印→检验→入库。

生产轴颈零件的传统工艺路线中，存在的主要问题如下：

（1）零件壁薄、材料刚性差，极易在加工中加工变形。零件尺寸精度要求高，技术条件严格，形状公差小。

（2）轴颈零件带有半封闭深型腔的结构，开敞性比较差，加工中存在进退砂轮困难等问题。

1.2 磨削工艺路线的改进方法

现行磨削工艺中，4个位置安排了利用外圆磨设备进行加工，其中包括轴承环外圆，在法兰环上的大封严齿，靠近轴承环上端的封严齿，外圆磨和内圆磨加工位置如图1所示。

由于法兰环上的封严齿与轴颈上封严齿的距离较近，利用外圆磨设备加工轴颈上的两极封严齿时，有可能会和端面法兰出现加工干涉。所以采用内圆磨削设备来加法兰端面近端的封严齿。但是在加工中，发现存在如下问题：

（1）内圆磨削砂轮较小，表面速度低，零件加工速度慢，导致零件表面完整性不如外圆磨，设备占用时间长。

（2）是否使用线测量设备对合格率影响比较大。由于内圆磨设备没有在线测量设备，所以上端封严齿的一次加工合格率仅为65%，所以大量零件需要返修或返工。

（3）外圆磨削工序选用的是白刚玉砂轮，内圆磨削工序选用的是棕刚玉砂轮。棕刚玉砂轮的硬度比白刚玉砂轮的硬度低，因此在加工中容易出现钝化现象，导致砂轮出现明显的磨损，砂轮表面极易黏附加工废屑，使磨粒失去磨削作用，同时磨削温度也会随之升高，导致零件表粗糙度无法达到图纸要求。

为了解决加工中出现的以上问题，选用改变加工方法和加工路线的方法来改进。内圆磨设备进行加工出现了以上的问题，所以通过改用外圆磨削设备来进行加工。由于外圆磨削磨床选用的砂轮比内圆磨削砂轮大，在加工中容易出现干涉的情况。因此制定的外圆设备磨削顺序是：①磨削轴颈下端封严齿；②磨削轴颈上端封严齿；③磨削法兰环下级封严齿；④磨削法兰环上级封严齿，如图2所示。

改进后的加工方法是利用外圆磨削设备对5个位置进行磨削：包括零件轴承环外圆和轴颈上的两级封严齿以及法兰环上的两级封严齿。改进后，减少了一道内圆磨削封严齿的加工工序，利用外圆磨设备进行加工轴颈上端的封严齿。所以在磨削加工过程中要格外注意外圆磨砂轮和法兰封严齿的位置，如图3所示。

利用外圆磨设备进行磨削后，砂轮宽度由外圆磨砂轮宽度100mm降为内圆磨砂轮宽度45mm， 内圆磨砂轮线速度由15m/s变成了外圆磨砂轮线速度30m/s，从而实现零件表面质量明显提高并且零件加工速度大幅提升。

改进加工方法和加工工艺顺序后，随机抽取20件轴颈上端封严齿一次加工合格率进行数据统计。轴颈封严齿直径图纸要求为208.25±0.03mm，零件表面跳动0.025mm，经检验只有5号零件的直径超差0.001mm和17号零件的表面跳动超差0.001mm，其他零件全都合格。零件一次加工合格率提高到90%。

磨削加工过程中，零件容易被磨削过程产生的热量所灼伤，磨削液必须始终浇在零件和砂轮接触的表面，从而使得零件的表面温度降低。磨削加工过程中，要保持砂轮一直旋转，不能出现停止，从而达到加工过程的稳定性。加工过程中一旦砂轮停止转动，正式加工零件前，设备需要预热几小时，同时要提前在砂轮上浇磨削液，如果有条件，应该先加工一个试验件，从而使整个设备处于一个稳定运行的状态来加工正式零件。

对磨削液的良好过滤是保证零件质量的另一个重要因素，每天对磨削设备液槽上的滤纸进行检查和监控，如果发现过度污染，必须及时更换新滤纸。

经过以上分析可以得知，改进后的方案是利用外圆磨设备加工零件，从而减少一道内圆磨削加工工序，从而使得零件一次加工合格率提高到了90%，同时加工效率是原来的两倍，在提高了加工质量的同时减少了设备占用率，提高了加工效率。

参考文献

[1]王聪梅.航空发动机典型零件机械加工[M].北京：航空工业出版社，2014.

[2]哈剑义，王莲，宋平飞.钛合金薄壁曲面前轴颈工艺研究[J].中国新技术新产品，2013，12（上）：101-102.