李 季吳宏春趙鵬飛文寶林曾維慷（.駐0廠(chǎng)軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 50066；.駐黎明公司軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 004；.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 004）

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風(fēng)扇輪盤(pán)圓弧榫槽加工研究

李 季1吳宏春2趙鵬飛3文寶林3曾維慷3
（1.駐120廠(chǎng)軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.駐黎明公司軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；3.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇輪盤(pán)是低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分關(guān)鍵的核心轉(zhuǎn)動(dòng)零件，材料為T(mén)C4，切削加工性能低。該零件內(nèi)部型面由兩級(jí)腹板與前后安裝邊形成三個(gè)封閉的型腔，外部由多個(gè)燕尾結(jié)構(gòu)的軸向圓弧形結(jié)構(gòu)的榫槽組成，零件結(jié)構(gòu)緊湊，輪廓尺寸較小，型面復(fù)雜，技術(shù)條件嚴(yán)格，由整體鍛件加工而成加工的難度非常大。本文著重介紹了某機(jī)風(fēng)扇輪盤(pán)零件在加工中心上加工圓弧榫槽的加工過(guò)程，對(duì)圓弧榫槽加工的難點(diǎn)、注意事項(xiàng)、加工方法及技巧進(jìn)行論述，解決加工難題的措施，成功實(shí)現(xiàn)零件的制造與交付。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇輪盤(pán)；加工中心；圓弧榫槽；數(shù)控程序；成型刀具

一、前言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇輪盤(pán)是發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分的關(guān)鍵零件，工作環(huán)境較為惡劣；零件選用材料為T(mén)C4，切削加工性能低。該零件輪廓尺寸較小，最大外圓直徑為ф398mm，零件高度為227mm，零件結(jié)構(gòu)緊湊，型面復(fù)雜，技術(shù)條件嚴(yán)格。毛料為模鍛件，經(jīng)退火處理、粗加工后交付，內(nèi)腔型面由兩級(jí)腹板與前后安裝邊形成三個(gè)封閉的型腔，盤(pán)心直徑較小余量較大，外部為軸向圓弧形燕尾榫槽，由于與輪盤(pán)連接的葉片葉形尺寸較大，為了提高葉片榫頭連接強(qiáng)度，榫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成燕尾結(jié)構(gòu)圓弧形榫槽，拉削方法無(wú)法進(jìn)行加工，必須需要通過(guò)銑加工完成，槽型的精度要求非常高，定位面的輪廓公差僅為0.02mm，加工的難度非常大。

二、零件工藝圖紙分析

1 零件材料特點(diǎn)分析

風(fēng)扇輪盤(pán)采用TC4鈦合金材料，零件硬度為HB（d）≥3.3mm，發(fā)動(dòng)機(jī)在10000轉(zhuǎn)/分鐘以上，工作溫度較高，工作強(qiáng)度和硬度較好，但這種材料切削加工時(shí)，其切削加工性較低，刀具磨損情況較為嚴(yán)重。

2 零件圖紙分析

風(fēng)扇輪盤(pán)為發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件，零件的尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，圓弧形燕尾榫槽為新型結(jié)構(gòu)，加工的精度要求較高，基本在幾道之內(nèi)，表面跳動(dòng)要求在0.02mm～0.05mm，位置度要求在ф0.10mm以?xún)?nèi)，零件的加工難度較大。

2.1尺寸精度

風(fēng)扇輪盤(pán)圓弧形榫槽為燕尾形結(jié)構(gòu)，榫槽厚度為138±0.05mm，榫槽工作面Q點(diǎn)距中心尺寸為U161，屬于零件重要的特性配合尺寸，榫槽弧度為R219mm。

2.2技術(shù)條件

風(fēng)扇輪盤(pán)圓弧榫槽輪廓公差要求非常嚴(yán)，工作面要求為0.02，其它表面為0.1，弧形榫槽位置度為Φ0.1，表面粗超度為0.8。

2.3零件類(lèi)型

風(fēng)扇輪盤(pán)是發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)中的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)承力部件，工作時(shí)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到10000轉(zhuǎn)/分鐘以上。零件為整體鍛件加工而成，其結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜，空間狹小，尺寸較多，加工的精度較高，材料為T(mén)C4的鈦合金，零件硬度值為HB（d）≥3.3mm。

2.4加工難點(diǎn)分析

圓弧形榫槽軸向厚度138mm，榫槽深度近40mm，余量較大，槽形深，榫槽公差要求嚴(yán)，表面粗糙度高，加工時(shí)切削力大，必需由機(jī)床及刀具保證，對(duì)設(shè)備、刀具的精度與剛性要求高，加工的難度非常大。

圖1　圓弧形榫槽圖形

圖2　燕尾型榫槽成型銑刀刀具結(jié)構(gòu)圖

圖3　榫槽外部成型銑刀刀具結(jié)構(gòu)圖

零件材料為鈦合金，材料的硬度與強(qiáng)度較高，加工時(shí)切削負(fù)荷較大，零件加工時(shí)易出現(xiàn)串動(dòng)及表面加工硬化現(xiàn)象，刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，保證零件的加工精度較為困難。

2.5解決加工難點(diǎn)的工藝措施

根據(jù)零件圓弧榫槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與形狀，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)非標(biāo)成型銑刀，刀具柄部直徑為20mm～30mm，增加刀具的強(qiáng)度，成型銑刀的輪廓公差要求較嚴(yán)，加工前投影檢查刀具形狀，提高銑加工的精度。

零件材料加工時(shí)切削熱高、易黏刀，刀具磨損嚴(yán)重，通過(guò)試驗(yàn)、優(yōu)化切削參數(shù)，切削時(shí)大量澆注冷卻液，帶走切削熱量，減少冷作硬化情況，提高刀具的切削壽命，保證零件的加工精度與表面質(zhì)量。

零件在加工時(shí)，采用止口及銷(xiāo)釘定位方式，保證零件裝夾穩(wěn)固，避免零件因切削力大所造成的位移現(xiàn)象，提高零件制造質(zhì)量。

三、圓弧榫槽刀具設(shè)計(jì)

兩級(jí)腹板輪盤(pán)零件32個(gè)圓弧榫槽，內(nèi)部為燕尾形結(jié)構(gòu)，是葉片安裝到榫槽時(shí)的主要配合表面，圖紙要求的輪廓公差較嚴(yán)。榫槽銑加工時(shí)，型面無(wú)法通過(guò)刀具軌跡補(bǔ)償獲得，所以需要使用成型銑刀進(jìn)行加工，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)3種刀具來(lái)完成榫槽加工，首先使用標(biāo)準(zhǔn)的立銑刀進(jìn)行粗開(kāi)槽，內(nèi)側(cè)型面用燕尾型成型銑刀加工（如圖2），外部型面用錐形成型銑刀（如圖3）加工出側(cè)面，轉(zhuǎn)接圓弧靠刀具底部圓R保證，兩種非標(biāo)準(zhǔn)的成型銑刀輪廓精度要求在0.01mm以下，以滿(mǎn)足榫槽輪廓公差的需求。

四、零件加工工步安排

根據(jù)零件圖紙的要求，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、工裝、刀具的狀況，經(jīng)過(guò)分析、研究，確定精銑圓弧榫槽工序，在高精度的臥式四坐標(biāo)加工中心上進(jìn)行。

1 零件裝夾

風(fēng)扇輪盤(pán)銑加工圓弧榫槽，加工中心需要在臥式狀態(tài)下進(jìn)行，主軸到工作臺(tái)面距離必須大于150mm，設(shè)備才能正常運(yùn)行，而且由于零件為實(shí)體狀態(tài)，余量較大，切削力也較大，加工時(shí)零件已發(fā)生串動(dòng)，影響加工質(zhì)量，所以需要制作專(zhuān)用的夾具進(jìn)行裝夾，保證加工的穩(wěn)定性與高度需求。

選用一個(gè)厚度約200mm、直徑約450mm的鋁盤(pán)進(jìn)行改制，鋁盤(pán)的兩端車(chē)平，并按照零件內(nèi)止口的尺寸加工出定位面，將鋁盤(pán)裝夾到加工中心上，然后按照基準(zhǔn)孔的位置鉆一個(gè)直徑為Φ60+ 0.025，深度為8mm的盲孔，將Φ6mm的銷(xiāo)子插入盲孔中，將基準(zhǔn)孔的角向輸入到工件零點(diǎn)地址中，鋁盤(pán)中間加工4個(gè)M12的螺紋孔，擰入雙頭螺桿，用于零件壓緊用。將基準(zhǔn)孔與銷(xiāo)子對(duì)正，零件安裝到夾具上，找正零件基準(zhǔn)跳動(dòng)不大于0.01mm，壓緊壓板，零件安裝后的圓周中心與機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心重合。

2 圓弧榫槽銑削加工

風(fēng)扇輪盤(pán)零件圓弧榫槽，內(nèi)部為燕尾形結(jié)構(gòu)，是葉片安裝到榫槽時(shí)的主要配合表面，設(shè)計(jì)要求的輪廓公差較嚴(yán)。榫槽銑加工時(shí)，型面無(wú)法通過(guò)刀具軌跡補(bǔ)償獲得，需要使用精確成型的成型銑刀進(jìn)行加工，加工時(shí)設(shè)備主軸在臥式狀態(tài)下，刀具的對(duì)刀點(diǎn)選在零件回轉(zhuǎn)中心上，軸向Y方向零點(diǎn)選擇在零件中前部安裝邊上，分粗開(kāi)槽、銑加工榫槽內(nèi)側(cè)型面、銑加工榫槽外側(cè)型面3個(gè)工步進(jìn)行加工。

首先使用標(biāo)準(zhǔn)的Φ12mm的立銑刀逐層進(jìn)行粗開(kāi)槽，按照刀心軌跡編制數(shù)控程序，將榫槽中部的大部分余量去除，榫槽最窄處留有0.5mm的余量，加工時(shí)進(jìn)給速度為10mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為150r/min，刀具每運(yùn)行一個(gè)榫槽后遠(yuǎn)離工件，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)榫槽位置，按照前一個(gè)刀具軌跡再進(jìn)行加工，直到將所有榫槽的余量都去除后，結(jié)束粗開(kāi)槽的工步。

其次用燕尾型成型銑刀加工榫槽底部?jī)?nèi)側(cè)型面，加工前投影檢查刀具的輪廓精度，并目視檢查切削刃的是否鋒利，按照輪廓編程方式分4刀，由內(nèi)向外逐步加工，最后一刀精加工時(shí)單邊留有0.5mm余量，更換一把新的刀具，以保證刀具的輪廓精度高于零件要求，對(duì)刀后將刀補(bǔ)上到尺寸，沿零件的上下方向精銑一圈，加工第一個(gè)槽后使用榫槽樣板進(jìn)行測(cè)量，如樣板通端不能通過(guò)，停止程序運(yùn)行，再在刀補(bǔ)中進(jìn)行微量上刀運(yùn)行程序，直至第一個(gè)榫槽樣板通端能過(guò)通過(guò)，再依次加工其它的榫槽，保證燕尾形榫槽底端尺寸合格。

最后用錐形成型銑刀加工外部型面，按照輪廓編程方式進(jìn)行加工，分2～3刀將型面加工至尺寸，轉(zhuǎn)接圓弧靠刀具底部圓R保證。

4.3零件檢測(cè)

榫槽輪廓公差及位置度等技術(shù)條件，在加工后在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行掃描、擬合，與零件理論的輪廓進(jìn)行比對(duì)，得出最終是否合格的結(jié)論，經(jīng)過(guò)檢測(cè)榫槽的尺寸及技術(shù)條件均滿(mǎn)足了圖紙的要求，零件表面圓滑轉(zhuǎn)接，粗超度達(dá)到規(guī)定要求。

結(jié)論

采用臥式四坐標(biāo)加工中心，進(jìn)行精銑圓弧榫槽加工，加工設(shè)備可以滿(mǎn)足零件要求，加工刀具選擇結(jié)構(gòu)合理，制造精度較高，有效地控制了尺寸精度和技術(shù)要求，加工步驟安排可行，走刀路線(xiàn)與數(shù)控程序經(jīng)運(yùn)行正確、合理，所加工的零件尺寸與技術(shù)條件能夠滿(mǎn)足工藝圖紙要求，并保證了零件表面質(zhì)量的要求，加工方案在風(fēng)扇輪盤(pán)加工中得到了良好的應(yīng)用，為公司新機(jī)研制積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]臧笑宇，閆龍，史韻琦.圓弧型榫槽風(fēng)扇輪盤(pán)加工及檢測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（17）：135-135.

中圖分類(lèi)號(hào)：V231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A