带内花键的薄壁传动轴变形的控制

李丹，周平，孙刚

（中国航发贵州黎阳航空动力有限公司，贵阳 550014）

0 引言

薄壁筒体零件刚度差，在加工中容易变形，这会导致两种不符合设计要求的情况出现：第一种变形较严重，零件加工完成后，精度较高的几何尺寸及技术条件就不满足设计图样要求；第二种，零件加工完成检验合格入库，零件经过自然时效，残余应力完全释放，零件局部塑性变形，精度高的尺寸及技术条件超出了装配要求，在实际装配时却装配不了的情况。

1 薄壁筒体零件变形原因分析及应对措施

如何控制变形是保证薄壁筒体零件质量的关键，在机械加工中，此类薄壁筒体零件变形原因主要有以下2个方面。

1.1 工艺装夹及加工路线

此类薄壁件，由于零件刚度差，特别是壁厚不超过5 mm时，因夹紧力与支撑力的作用点选择不当，会引起附加应力，夹、压的弹性变形将影响表面的尺寸及形位公差，产生加工变形[1]。在粗加工外圆及加工内孔时可用径向夹紧，但须增加夹紧面积或增加零件刚度。在加工内花键及外圆精加工时只能用轴向夹紧方式，让夹紧力能够沿着零件轴向分布，零件轴向的刚度较大，能够让夹紧力作用在刚度较强的区域，从而减小变形概率。

零件必须粗精加工分开进行，形状复杂的还需要增加半精加工工序。粗加工及半精加工主要目的是去除余量，精加工是为了保证零件尺寸、技术条件及表面质量，粗加工及半精加工后给精加工留余量，在粗加工及半精加工产生的变形，在精加工中可以得到纠正。

1.2 加工残余应力

残余应力[1]是指在没有对零件施加外力作用时，存在于物体内部且保持平衡的力，对于机械加工来说，分为初始残余应力和零件在加工过程中产生的加工残余应力。加工残余应力是由于零件在加工过程中受到切削力和切削热作用，使零件表层内部产生了新的加工残余应力。这些残余应力处于不稳定的状态，当零件受到外力作用（机械加工主要为刀具的切削力）及切削热（主要是刀具对已加工面的挤压，刀具前刀面与切屑，后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生的切削热）时，使初始残余应力遭到破坏，截面内的应力重新分布，使其某些局部产生塑性变形。当外力及切削热消失后，整个零件由于残余应力的作用发生变形。

在加工中，切削工艺参数：切削速度Vc、进给量f、切削深度ap的选择，对切削力及切削热影响较大。研究表明，在保证刀具锋利的前提下，切削速度Vc、进给量f、切削深度ap越大，切削力及切削热就越大，随之加工残余应力也相应增大[2]。对切削力影响最大的是切削深度，其次是进给量，影响较小的是切削速度；对切削热的影响刚好相反，影响最大的是切削速度，其次是进给量，影响较小的是切削深度；合理地选择切削参数可以有效地减小加工残余应力。

一般在粗加工及半精加工时，为了提高效率，采用低转速、大进给量、大切削深度的方式去除大余量，这样虽然加工残余应力增大，但零件变形可在精加工中进行修复[3]。精加工时，采用高速、多次的小进给、小切削深度的加工方式，减少零件变形的可能性，保证零件加工精度，获得好的表面质量。

在粗加工及半精加工去除大量余量后，增加去应力工序，去除粗加工及半精加工产生的残余应力引起的塑性变形。

通过对以上一般薄壁筒体零件变形原因的分析，以多功能轴为例，制定具体的多功能轴控制变形的措施，最终给出多功能轴的加工装夹方法、工艺加工路线及切削工艺参数。

某型机多功能轴，一端内花键连接低压涡轮转子，另一端内花键连接风扇转子，用于将低压涡轮的转矩和轴向力传递给风扇，是发动机上的重要零件，结构如图1所示。

图1 多功能轴三维图

2 多功能轴结构特点及加工难点

2.1 多功能轴的结构特点

零件毛坯：材料为TC11，Ⅱ类锻件；零件总长为208 mm，最大外径为φ149 mm，壁厚为4 mm，属于典型的薄壁筒体零件。外圆上有封严篦齿，两端有高精度内花键，花键对基准的跳动为0.036。零件的尺寸及技术条件要求高，多处孔为6级公差，轴为5、6级公差。孔和外圆、端面跳动多为0.02 mm，基准B对基准A的跳动为0.01 mm。零件的外圆上有空间槽及空间孔。零件尺寸及技术要求如图2所示。

图2 高精度尺寸及技术条件示意图

2.2 加工难点

3 多功能轴控制变形，保证加工难点的措施

3.1 工艺加工路线及工艺装夹

通常情况下，为保证加工面对设计基准的跳动、同轴度等技术条件，一般是先加工出外圆基准面，再装夹外圆基准面加工其他面及花键，保证与基准面的技术条件。而该类零件由于其薄壁，如果先加工外圆基准面，再以外圆基准面做为装夹基准，就会使加工出的零件变形严重。

在粗加工外圆及精加工内孔时，我们采用在外圆中间留工艺台的方法，工艺台留在外圆中间，加工时零件悬伸短，提高零件的刚度，解决了零件加工的装夹问题。内孔及花键均以工艺台为定位装夹基准，加工至最终尺寸，再以内孔为定位装夹基准，加工外圆。内孔是同一装夹基准加工，内孔同轴度容易保证，外圆也是同轴度得到保证的同一基准加工出来，这样也解决了基准转换问题，保证外圆和内孔的技术条件及花键对基准的跳动。

花键加工方法有展成法和成形法，展成法有插齿、滚齿；成形法有拉削、铣削、磨削等[4]。对于内花键只有用插齿和拉削的加工方法，如果用拉削的加工方法，厂内现有的拉床设备需要用外圆定位夹紧，加工时零件受到径向的夹紧力，因此内花键采用插齿的方法进行加工，用工艺台的一端面定位夹紧，另一端面支承的装夹方式，这样夹紧力向下而支承力向上，减少零件受力。

铣槽及钻孔采用大端内孔定位，端面支承，轴小端定位压紧的方法，在五轴加工中心上一次装夹加工完成。

具体方法如下：

1）在零件中间留工艺凸台，如图3所示（一般比零件最大外圆处单边高出4～5 mm，长度40 mm），对工艺凸台的要求是凸台两端面对外圆的跳动要求在0.01 mm以内。

图3 工艺凸台位置图

2）用工艺凸台的外圆定位，端面进行支承和夹紧。加工零件一端端面、内腔加工至最终尺寸，包括基准孔。外轮廓留少量的加工余量。

3）用工艺凸台的外圆定位，端面进行支承和夹紧。加工零件另一端端面、内腔加工至最终尺寸，包括基准孔。外轮廓留少量的加工余量。

4）用工艺凸台的一端面定位夹紧，另一端面支承，插一端内花键， 加工前需找正这端内花键对应的基准孔跳动（0.01 mm）。

5）同样方法加工另一端内花键，如图4所示。

图4 内花键加工装夹图

6）用两基准内孔定位，压紧轴小端面，精加工外轮廓至最终尺寸，如图5所示。

图5 精加工外轮廓装夹图

7）用大端内孔定位，端面支承，轴小端定位压紧，在五轴上铣槽及钻孔，如图6所示。

图6 铣槽及钻孔装夹图

零件加工的工艺路线为：毛坯→粗车轮廓→车工艺凸台→半精车轮廓→热处理去应力→精车工艺凸台→精镗内腔一端基准孔→精镗内腔另一端基准孔→插一端内花键→插另一端内花键→清理内腔毛刺→以两端基准孔定位粗加工去除工艺凸台→以两端基准孔定位精车外圆轮廓→铣槽及钻孔→去毛刺→最终检验→镀镍。

3.2 多功能轴切削工艺参数具体选择

切削速度根据工件材料、刀具材料及加工要求等因素来确定，多功能轴材料为TC11，其合金高温变形性能好。

由于涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，不宜用来切削钛合金，应选用与钛合金亲和小的YG钨钴类硬质合金刀具。

前期，我们在加工某零件（材料为TC11）外圆时，选用钨钴类硬质合金刀具，我们选取的切削用量三要素为：切削速度为80 m/min，切削深度为0.5 mm，进给量为0.2 mm/r，当加工至11件时，刀具因切削热烧毁而失去切削刃。

咨询刀具厂家，查询钛合金加工资料，由于钛合金热传导性差（只有普通碳钢的1/5～1/7），切削热不易散发，切削速度越大，产生的切削热就越大，刀尖容易烧毁失效[5]。将切削参数调整为：切削速度为40 m/min，切削深度为0.5 mm，进给量为0.25 mm/r，这样加工30件零件时，刀具只是出现轻微的磨损。因此，钛合金切削时切削速度过高，会加快刀具的磨损，刀具不锋利后，切削力和切削热会随之增大，导致加工残余应力增大。

进给量主要依据零件的加工精度及表面粗糙度要求来选择，表面粗糙度能从侧面反映出切削状况，看进给量及切削速度是否选择合适，因此我们通过检查表面粗糙度作为参考，看精加工时进给量及切削速度选择是否合适匹配。通过查询资料，给出了轮廓高度最大值的参考公式[5]:

式中：Rmax为已加工表面轮廓高度最大值；f为进给量；rε为刀尖圆弧半径。从参考公式可看出车削的表面粗糙度与进给量及刀尖圆弧有关。我们通过用φ30棒料钛合金（TC11），车加工外圆，检查表面粗糙度，来验证表1的正确性， 选用参数为：切削深度为0.15 mm，刀尖半径为R0.4 mm，试验数据如表1所示。从试验数据可看出，刀尖半径及切削深度确定后，随着进给量的减少，零件表面粗糙度精度等级提高，但是切削速度的提高对表面粗糙度影响不大。

表1 切削速度、进给量与表面粗糙度试验数据

最终通过以往加工经验及试验，我们给出了此零件的加工参数。

切削速度：粗加工及半精加工时采用40～45 m/min。精加工时采用50～55 m/min。带内花键的薄壁传动轴，设计基准面表面粗糙度为Ra1.6 μm和Ra0.8 μm，进给量：粗加工及半精加工时为0.25～0.30 mm/r；在精加工时为0.1～0.2 mm/r，最后3次进给量不超过0.05 mm。切削深度依据机床、工件和刀具的刚度进行选择，切削深度越大，切削力就越大，所需的工件夹紧力也越大。根据经验，车削时，粗加工一般为1～2 mm， 半精加工为0.5～1.0 mm，精加工为0.1～0.2 mm。

3.3 冷却液

钛合金车削时，需全过程使用冷却液，不仅可以降温，还可以起到润滑和冲洗带走切屑的作用，这样就减少切削热及切削力，减少残余应力。

4 试加工

我们用最终确认的装夹方法、工艺路线及切削参数进行试加工。在半精车内腔时，选用的切削三要素为：切削速度为40 m/min，进给量为0.25 mm/r，切削深度为0.7 mm。加工里面孔和槽时出现了振刀现象，零件表面出现波纹状。分析产生振刀原因为：零件内孔深，车削加工用的刀杆是一种加长的刀杆，刀具悬伸长。目前解决的办法主要有两种：一种是采用加粗的刀杆；另一种就是采购专用的减震刀具进行零件的加工，减震刀杆的结构是在刀杆内安装吸振弹簧，属于专用工具。这两种方法都需要重新购买刀具，对于新机试制，生产件数较少，经济性不高。我们想到了在刀柄上缠上软胶皮，起到减震的作用的方法。

产生振刀的另一个主要原因是：切削速度高，切削深度大，切削力大，导致刀具刚度不足而产生振刀。我们在刀柄上缠上软胶皮，通过慢慢调整切削速度及切削深度，最终调整切削速度为30 m/min，切削深度为0.5 mm，进给量为0.25 mm/r，振刀明显改善。

表2 三坐标实测值

最终零件加工的工艺路线为：毛坯→粗车轮廓→车工艺凸台→半精车轮廓→热处理去应力→精车工艺凸台→精镗内腔一端基准孔→精镗内腔另一端基准孔→插一端内花键→插另一端内花键→清理内腔毛刺→以两端基准孔定位粗加工去除工艺凸台→以两端基准孔定位精车外圆轮廓→铣槽及钻孔→去毛刺→磨外圆及端面→最终检验→镀镍。

用此方法后续又加工了8件零件， 有效地控制了零件变形，未发生因变形引起的零件几何尺寸及圆柱度、跳动不符合设计要求的现象。放置2个月后测量，也未发生因变形引起的零件几何尺寸及圆柱度、跳动不符合设计要求的现象。

5 结论

经验证，用上述的工艺装夹、工艺加工路线及工艺切削参数，有效控制了零件变形，保证了零件质量，提高了加工效率，可作为此类零件加工的参考。