篦齿盘高敏感孔螺旋铣加工工艺研究

梁永朝，刘彦军，张 潇

(中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306)

篦齿封严是利用通道的突扩和突缩增加流阻以限制流体泄漏的非接触式动封严，是航空发动机中广泛使用的一种有效的、长寿命的封严结构，主要用于压气机和涡轮级间[1]。螺栓连接是航空发动机转子部件常见的连接方式。高压涡轮组件在高温、高转速下工作，载荷环境恶劣，而螺栓通孔孔边区域则是疲劳裂纹萌生的高发区[2]。为加强螺栓孔表面完整性控制，提高螺栓孔表面抗疲劳性能，国外某发动机OEM公司某型航空发动机高压涡轮转子前篦齿封严盘螺栓孔采用异型螺栓孔设计，同时该孔被定义为高敏感孔，孔加工过程需要按照标准要求在精加工后采用珩磨或磨粒流加工方式进行，但是往往珩磨及磨粒流加工设备属于精密加工设备，一般数量有限，实际生产过程中任务都较为饱和，因此为了切实提高高敏感孔加工效率，满足生产需求，首次尝试采用螺旋铣削异型孔加工方式代替传统的珩磨或磨粒流加工。

1 零件材料特性及结构特性

篦齿盘材料为GH4065A(美国牌号Rene65)，作为针对航空发动机热端转动部件工况要求研制的新型变形高温合金，其主要合金元素含量与Rene88DT相近，GH4065A合金是在此成分基础上根据铸锭冶金技术的要求进行专门的优化后形成的一种新型镍基γ'沉淀强化型变形高温合金，是国内最新研发的高性能发动机转子材料，其最高服役温度可达750 ℃，性能接近二代粉末冶金性能水平，而且制造成本较低，是高推重比发动机盘类热端转动件的优选材料[3-4]。GH4065A合金名义成分见表1[5]。材料硬度≥40 HRC，属于一种新型粉末高温合金难加工材料。

表1 GH4065A合金名义成分(质量分数) (%)

篦齿盘零件实物如图1所示，是一种典型的盘环类封严结构，其在涡轮转子组件中的连接安装方式如图2所示。篦齿封严盘前端与高压压气机转子连接，另一端与高压涡轮鼓筒轴连接，并且这三者之间都是通过篦齿盘上的异形通孔采用螺栓连接的方式工作。异形孔在高温、高压下承受着离心载荷及螺栓扭力的多重作用，工作环境相当严苛，因此篦齿封严盘异形孔的加工控制要求非常严格，国外OEM公司将其纳入关键零部件控制，该异形孔被定义为高敏感孔，加工参数要进行严格的控制。

图1 篦齿封严盘零件

图2 篦齿封严盘安装结构

篦齿封严零件结构及尺寸如图3所示，篦齿最大外径为272.186 mm，盘心最大直径为125.43 mm，盘心厚度为29.29 mm，辐板厚度为8.31 mm，辐板圆周方向上分布着一圈36个异形孔，异形孔具体尺寸要求如图4所示。异形孔左右宽度及前后宽度均为10.084 mm，由8段圆弧组成，最大圆弧半径为37.592 mm，同时异形孔有自身轮廓度要求及相对基准的轮廓度要求，分别为0.12 mm和0.25 mm，异形孔的表面粗糙度要求为Ra1.6 μm，异形孔属于高敏感孔，孔加工过程控制要按照D级控制要求执行，即孔加工过程要进行扭矩监控，同时最终孔加工表面要采用磨粒流加工，孔加工工艺控制要求非常严格。相关研究也表明：异型孔轮廓设计参数选取恰当，可有效减小孔边应力[6-7]。因此，对于已经确定的篦齿盘异形孔尺寸要求，良好的加工质量对于零件使用寿命具有很重要的影响。

图3 篦齿封严盘结构

图4 异形孔尺寸要求

通过上述分析可知，开展螺旋铣削粉末高温合金异形高敏感孔加工，难点在于一是摸索粉末高温合金材料的切削性能及合理的工艺参数；二是按照高敏感孔控制要求满足孔径尺寸要求及表面粗糙度要求。

2 异形孔加工工艺控制要求

篦齿盘异形孔按照D级孔加工进行控制，具体孔加工类别划分原则见表2。

表2 孔加工类别划分原则

D级孔作为重要连接部位的高敏感孔，其加工过程控制要求见表3。可以看出，D级孔的控制要求非常严格，除了需要进行人员培训、参数控制、刀具磨损测量外，还要进行工艺过程监控，工艺监控是对关键零部件孔加工过程的基本要求，目的是以监控设备状态稳定来获得加工状态的稳定。针对有工艺监控要求的孔加工，用普通数控加工中心配置功率监控器，对设备功率、主轴转速、冷却液流量、进给量进行测量，使零件加工过程中的切削力由常规的不可见不可控变为可直观显现的电压值，获得详实的孔表面的应力数据，建立孔加工数据库，在零件试制阶段总结加工参数，设定允许极限和最大极限，并作出相应的报警反应，实现对刀具的寿命控制和零件的寿命保障，应该说属于自适应加工控制的一种典型应用。扭矩监控装置如图5所示。

表3 孔加工类别控制要求

图5 扭矩监控装置

高敏感孔除了要进行扭矩监控外，一般孔的精加工表面要进行磨粒流加工，但是因为磨粒流加工效率较低，加之设备数量有限，难以满足高效生产需求，经过研究分析，决定采用螺旋铣削异形孔的加工方式代替传统磨粒流加工，开展螺旋铣削异形孔加工工艺研究。

3 异形孔螺旋铣加工工艺研究与应用

螺旋铣孔过程由主轴的自转和主轴绕孔中心的公转2种运动复合而成[8]。螺旋铣孔工艺示意图如图6[9]所示。

a) 三维立体 b) 二维平面

螺旋铣孔与传统的钻削工艺相比，具有其独有优势。首先，刀具中心的运动轨迹是螺旋线而非直线，即刀具中心不再与所加工孔的中心重合，属偏心加工过程[10]。一般情况下刀具的直径不再与孔的直径相同，可以根据孔的大小选择合适刀具进行加工，这突破了传统钻孔技术中一把刀具加工同一直径孔的限制，实现了单一直径刀具的“柔性加工”。这不仅提高了加工效率，同时也大大减少了刀具使用种类和数量，有效降低了加工成本。其次，螺旋铣孔过程属于断续加工，不仅排屑容易，而且有利于刀具散热，可有效降低刀具因热量聚集而造成的高温磨损，从而提高刀具的使用寿命。第三，不同于传统钻削加工，螺旋铣孔的轴向力远远小于传统钻孔加工，这有利于良好的孔加工出口质量提升，特别是对篦齿盘类的粉末高温合金材料。同时螺旋铣削偏心加工的方式使得切屑有足够的空间从孔槽排出，排屑方式有利于孔加工表面质量的提升。

篦齿盘异形孔属于高敏感孔，采用螺旋铣削加工工艺，首先要开展相关的切削试验，进行相关参数的积累，包括刀具的选型，程序的编制以及现场的试验等。在加工工艺方面，采用粗加工钻底孔留余量，然后再进行异形孔铣削精加工的加工方式。在加工刀具选择方面，粗加工刀具采用φ9硬质合金钻头(见图7)，螺旋铣削采用φ2.8×R0.8四刃端面铣刀(见图8)，孔口倒角采用φ8×90°(见图9)的倒角铣刀进行，最后采用φ14的毛刷进行孔口去毛刺处理(见图10)。

图7 φ9硬质合金钻头

图8 φ2.8×R0.8四刃端面铣刀

图9 φ8倒角铣刀

图10 φ14毛刷

异型孔粗加工采用φ9硬质合金钻头粗钻，单边留有0.5 mm余量进行螺旋铣孔精加工。钻孔过程经过现场多轮参数试验，主轴转速S=350 r/min，进给量F=0.05 mm/r，一把钻头加工18个孔后，刀具磨损量达到0.191 mm，接近技术要求规定的钻头最大磨损带不超过0.20 mm的上限，因此加工完18个孔后必须换把新钻头，完成36个异形孔中后18个孔的钻削加工。

完成粗加工钻孔后，开始进行螺旋铣孔加工参数试验。通过编制螺旋铣削的数控加工程序，利用端面铣刀刀尖R作为切削刃进行螺旋铣削，同时按照要求高敏高孔加工过程中要进行扭矩监控，螺旋铣削程序刀轨如图11所示。φ2.8×R0.8四刃端面铣刀的切削参数经过多次切削加工试验(见图12)，依据刀具的磨损量和加工材料表面的粗糙度不断进行调整，通过试验确定，一把四刃端面铣刀加工6个孔后，刀具磨损量达到0.192 mm，接近技术要求规定的铣刀最大磨损带不超过0.20 mm的上限要求，也就是说刀具换刀点为6个孔，此时试验获得的加工参数为主轴转速S=1 700 r/min，进给量F=0.05 mm/r，每层切削深度为0.15 mm，之后进行孔口倒角铣削及孔口毛刷去毛刺加工，具体加工参数见表4。

图11 螺旋铣削程序刀轨

图12 螺线铣削试验件

表4 异形孔试验加工参数

完成所有加工后，检测孔径尺寸及轮廓度均满足设计图样要求，特别是孔的表面粗糙度达到Ra1.6 μm，螺旋铣削异形孔加工质量完全满足图样技术要求，达到了替代磨粒流加工的试验目的，零件实现了合格交付。最终零件异形孔表面质量如图13所示。

图13 篦齿盘异形孔表面状态

4 结语

通过对高压涡轮转子前篦齿封严零件材料及性能特点分析，以及高敏感孔加工工艺控制要求的介绍，开展了篦齿盘异形孔螺旋铣削加工工艺研究。采用粗加工钻底孔+螺旋铣削精加工的方式，开展切削工艺参数的试验，摸索出GH4065A粉末高温合金篦齿盘零件异形孔加工工艺参数。通过试验可知，异形孔加工尺寸及表面粗糙度要求均满足设计图样要求，采用螺旋铣削加工异形孔的方式可以替代珩磨或磨粒流加工，实现了螺旋铣削工艺在加工粉末高温合金材料高敏感孔应用上的新突破，为今后螺旋铣削工艺在航空零部件加工领域的应用提供了有益探索。