低压涡轮转子支撑锥壁加工技术研究

万秀屏 姜功宇

摘 要：低压涡轮转子支撑锥壁属于典型的锥盘类零件，该零件为关键件，零件结构、形状较为复杂，毛坯价格昂贵，且制造周期较长，其加工质量直接影响到发动机的使用寿命和安全可靠性，因此控制零件的变形，对于保证零件的加工质量，提高零件合格率至关重要。该文主要控制零件关重尺寸及技术条件变形超差，解决深腔型面加工中震纹，固化斜孔无法加工等瓶颈问题，为零件合格交付提供技术保障。

关键词：支撑锥壁；变形控制；工艺方案；合格率

中图分类号： V231 文献标志码：A

0 引言

低压涡轮转子锥盘类零件属于新结构，零件制造缺少借鉴经验，很难满足设计图纸要求。该文通过开展低压涡轮转子支撑锥壁加工技术研究攻关，掌握零件变形控制技术和变形规律，解决深腔型面加工中震纹、喷丸后关重尺寸变形超差等瓶颈问题，固化斜孔加工的刀具及切削参数、检测方法；实现机加工艺过程稳定，提高零件尺寸精度，保证支撑锥壁零件最終满足设计图纸要求。主要工艺改进措施包括：制定深腔斜孔加工中心工艺方案，防止加工中刀具干涉和刀具震颤问题，派制专用加长刀杆和刀具，适用于加工小端的深腔4-φ2斜孔；解决小端深腔型面加工中震纹问题，增强夹具刚性，优化切削加工参数；掌握弱刚性薄壁复杂型面变形控制技术，优化切削路线，确定最适合的切削方案，满足零件尺寸精度、表面粗糙度和技术要求。

1 研究目标

1.1 设计要求

低压涡轮转子支撑锥壁属于典型的锥盘类零件，该零件是关键件，材料为高温合金（IN718），属于难加工材料；支撑锥壁零件大端外圆φ720 mm，高268 mm，呈大碗型。零件外型面是带有凸台的长锥面；内腔有多处封闭台阶式型腔，内腔小端的轴颈结构复杂，轴颈上端有内、外螺纹。大、小端的端面，台阶型腔的端面，内外型面斜臂上均有功能不同的各种孔。零件机械加工后有喷丸技术要求，尺寸及技术条件数量多，精度高、要求严格，加工难度大。小端深腔型面加工过程中颤震与变形较大，进退刀难度大，测量与观察较难，严重影响零件加工的质量。

1.2 主要影响因素分析

低压涡轮转子支撑锥壁零件交付合格率较低，为了摸索影响零件加工中变形的主要工序和主要因素，积累零件变形规律，便于调整零件加工工艺方案。分析已经交付的零件超差项，主要原因是：

（1）小端轴颈上的4-φ2斜孔，处在半封闭型腔中，加工中从小端无法进刀，只能从大端进刀，刀具与大端的封闭台阶式型腔干涉，普通刀具无法到达。

（2）小端内腔的深腔属于封闭型腔210 mm，型面由于加工时刀具悬伸长，普通车刀无法到达，车加工时产生震纹，缺少专用工装，无法满足设计图纸要求。

（3）零件喷丸后关重尺寸及配合尺寸和各孔位置度等超差严重，变形规律还需进一步摸索。

2 开展的试验工作

2.1 加工工艺路线设计

低压涡轮转子支撑锥壁零件毛坯采用整体坯料模锻件，交付状态：固溶、时效，高温合金材料，该材料具有屈服强度高、塑性好，耐腐蚀、抗氧化、热稳定性好、韧性和延伸率大、导热性差等特点，尤其是合金中含有较高的金属铌，使该材料具有优良的抗蠕变性能。由于低压涡轮转子支撑锥壁零件本身结构和切削加工过程的复杂性以及材料的难加工性，极易出现弹性与残余应力变形、加工颤震与强迫震动，严重影响零件加工的质量。

通过对零件进行结构和工艺性分析，考虑到零件的特殊结构及材料的加工特点等因素，制定低压涡轮转子支撑锥壁零件主要加工工艺流程如下：毛料图表→车超声波检查面→超声波检查→粗车→消除应力热处理→半精车→清洗→腐蚀检查→修正平面→精车外型面→精车内型面（预留工艺凸台）→钻孔和铣槽→钻Φ2斜孔→去除工艺台→标印→钻孔→铣花边→喷丸→喷丸后修复→……最终检验。

2.2 车削加工工艺方案研究

2.2.1 余量分配

为了减少加工余量对变形的影响，车超声波面至粗车留余量2mm，粗车给半精车留余量1.5 mm，半精车给精车留余量1 mm，粗车按零件最终形状加工，使余量分布均匀，避免半精车加工余量过大，内应力大，在应力重新平衡后，会引起较大变形。

2.2.2 装夹方式

由于支撑锥壁零件为薄壁结构，为了减少加工变形，加工过程中零件的装夹定位不能采用径向直接夹紧的方式，而必须采用轴向定位、压紧的方式进行，因此半精车、精车需设计专用夹具，完成零件安装定位和加工，尽量使定位基准、设计基准和测量基准重合。加工内型面时，压紧方式较困难。精车加工内型面时，有以下几种压紧方式，如果压紧大端面，零件过高，呈悬空式，薄壁件，极容易变形；如果压紧小端外表面，无法装夹；如果压紧小端内表面，轴颈内腔较小，可串芯轴和使用压盖，但加工内腔时刀具的走刀行程受限，测具无法在机床上检测零件。经过专家评审，最后采用在小端预留工艺凸台，压紧小端外表面。车加工完成后，钻和铣加工大端与内外型面的孔、槽、花边等工序，然后车掉工艺凸台，最后加工小端端面与外型面上孔、槽等。

2.2.3 解决小端深腔型面加工中震纹问题

（1）小端深腔属于封闭型腔，普通车刀无法到达，刀杆与大端的支撑悬臂结构相干涉，派制专用车刀刀具，增强刀具的刚性，选择合理的机夹刀具、切削参数和最佳的走刀加工路线，防止加工中震纹的产生。深腔走刀路线如图，通过三把刀两次接刀完成深腔加工。

（2）锥壁零件属于易变形震颤的薄壁大型件，派制专用夹具工装，增强夹具刚性，减少小端深腔底部震刀纹的产生。

（3）封闭环形腔，普通测具无法测量，保证图纸要求。小端内腔型面点、内外圆直径尺寸等，封闭环形深腔普通测具无法测量，派制专用标准件、测具，操作者控制数控程序上刀量，便于在机床上控制测量尺寸，提高零件合格率。

2.2.4 掌握弱刚性薄壁复杂型面变形控制技术

（1）零件高温合金为难加工材料，内、外型面长且为悬臂结构零件刚性差，一次走刀无法完成，在加工过程中刀具易磨损、加工硬化现象严重。

为经过该次加工优化总结后的走刀路线，大斜壁采用三段程序接刀，通过改变之前的斜壁一次加工下来的方法，优化切削路线，满足零件尺寸精度和技术要求，对零件表面粗糙度也有很大改善，减少接刀痕迹的发生，并且有效延长刀具的使用寿命。

（2）零件型腔复杂，加工余量大，高温合金材料难加工，对于外腔的型面点，派制专用测具，提高零件检测的准确性，控制零件加工上刀量，提高零件合格率。

（3）大端外圆加工中变形严重，喷丸前预留余量，增加喷丸前修复工序，保证设计图纸尺寸及技术条件要求。

2.3 深腔斜孔加工中心工艺方案研究

研究深腔斜孔加工工艺方案，制定刀具切削加工方案，防止加工中刀具干涉和刀具震颤问题，派制专用加长刀杆和刀具，适用于加工小端的深腔4-φ2斜孔。

零件小端轴颈上的4-φ2斜孔（如图1所示），处在半封闭型腔中，是零件加工中的瓶颈，加工时只能从大端轴颈内孔处进刀加工，刀具进刀的内孔直径φ123 mm非常小，斜孔中心距离大端端面距离120 mm，刀具与大端的封闭台阶式型腔干涉，使机床主轴与刀具的直径大小与长度受到制约。4-φ2孔在五坐标加工中心设备上加工，基准A、B表面，压紧D表面，使用加长杆进行加工，φ2铰刀长28 mm；先在轴颈内壁上用φ1铣刀锪平台，防止加工中打滑；然后用φ1.85钻头钻孔；最后用φ2铰刀铰孔；位置度应用三坐标测量，孔径采用塞规测量。

3 结语

低压涡轮转子支撑锥壁零件通过不断摸索，固化了斜孔加工工艺方法，小端内腔震纹得到了有效控制，减少内外型面尺寸超差数量，加工过程中通过不断优化改进，有效地提高了零件的合格率，2018年交付支撑锥壁零件合格率为95 %。

参考文献

[1]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册：发动机机械加工[M].北京：航空工业出版社，1997.