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轮盘枞树形长榫槽铣加工工艺研究 |
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作者：施颖 刘智武 |
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摘要：通过对某发动机风扇轮盘枞树形长榫槽进行铣加工工艺研究和试制， 设计了整体硬质合金成型铣刀，同时创立出一种正确、可靠的工艺方法一啄铣，突破了此类复杂件榫槽在铣加工中的技术障碍，成功地解决了加工中的振刀和加工后表面粗糙度低的难题，为同类榫槽铣加工提供了科学依据。
关键词：枞树形长榫槽；铣加工工艺；整体硬质合金成型铣刀；啄铣
航空发动机轮盘枞树形榫槽传统的加工方法是拉削加工工艺， 其工装、刀具设计及制造比较复杂且费用较高，生产准备时间长，不适合单件试制。
为适应航空发动机零件快速试制的要求，掌握轮盘枞树形榫槽的铣加工技术。本文针对某机轮盘铣削榫槽过程中出现的严重让刀现象和振刀严重、铣刀刀面崩刃、加工表面粗糙度低等问题，提出采用整体硬质合金成型铣刀进行半精加工和精加工，并通过减小刀柄悬出长度及尽可能增大刀柄直径和刀心的有效直径以提高刀具的刚性， 同时合理的分配铣削余量，采用啄铣等工艺措施，解决让刀、振刀严重和加工表面粗糙度低的难题，提高零件质量，保证某机试制的顺利进行。
1 技术要点及工艺分析
1．1 技术要点
某发动机风扇轮盘材料为马氏体不锈钢，其结构示意图如图1。在零件的轮缘上均匀分布22个枞树形榫槽，榫槽沿轴向长140mm．径向槽深达53mm，槽宽最窄处仅为12．3mm，最大深宽比4．3。
图1 第1级轮盘结构示意图
轮盘榫槽的设计精度高，两工作边的面轮廓度要求不大于0．02mm， 非工作边的面轮廓度不大于0．05mm， 榫槽沿全长同侧两工作面的平行度不大于0．0lmm，N1、N2两特性尺寸沿全长的差值不大于0.025mm。榫槽圆周位置度不大于0．15ram，榫槽对称平面与轴线夹角9。，如图2所示。
1．2 轮盘枞树形榫槽成型加工工艺航空发动机轮盘榫槽最常用的榫槽成型加工工艺是拉削方式，根据槽形不同可分为直槽形、燕尾形和枞树形榫槽。根据拉床种类不同可分为高速拉削和普通拉削。
有少数零件采用铣削的加工方式加工榫槽，但其榫槽的长度较短， 且深宽比小，槽形及粗糙度要求不高。
沿圆周方向的环形榫槽采用的则是车削的工艺方法。
图2 榫槽尺寸、公差带示意图
1．3 拉削榫槽成型加工工艺
拉削是采用成组刀具分余量梯次加工成型的一种加工工艺方法。拉削的榫槽其成型尺寸的一致性好，精度高，质量稳定，适于批量生产。
枞树形榫槽的型面比较复杂，本零件的轴向长度长，榫槽深度深， 最大深宽比4．3。按高速拉床行程6m计算，如果派制拉刀，高速拉刀的长度要在(20～ 30) m， 需要排4～5个工位。生产准备周期长， 刀具设计、制造难度大，成本高，费时费力。
另外，该零件的榫槽深度53mm，夹具分度盘的直径必须小于榫槽的底径。在直径两百多毫米的分度盘上拉削此种零件的榫槽，拉削的速度不能太快，否则零件的刚性不好，但是拉削马氏体不锈钢零件的速度又不能太慢，慢了很容易使零件表面撕裂。
因此，考虑能否用其他的工艺方法代替拉削方式。
1．4 铣削榫槽成型加工工艺
铣削加工工艺相对于拉削加工工艺而言成本低， 周期短，工装和刀具的设计、制造简单。
但铣削的产品其成型尺寸的一致性不好，质量相对不稳定；刀具的刚性不如拉刀，磨损较快； 零件加工表面的粗糙度也稍差。
因此铣削的加工工艺适合简单槽形、精度不太高的榫槽或单件生产的零件。
2 技术方案及保证措施
结合该零件的结构特点与单件生产的要求，确定用铣削加工的方法加工该零件。
2．1 工艺难点
1)铣刀的刚性不如拉刀，加工中振刀严重、铣刀刀面有崩刃；
2)刀具磨损较快，榫槽成型尺寸的一致性不好；
3)铣削表面的粗糙度低。
2．2 工艺方法
第一步，通过榫槽槽型放大图投影检查精铣刀的型面，记录型面的起始位置和型面的偏移距离。
第二步，在长度为140mm的试块上加工榫槽(直槽)。
第三步，按照铣刀型面投影的起始位置，投影试块检查榫槽型面的偏移距离。
第四步，对铣削后的铣刀再次进行投影，检查刀具磨损量。
第五步，对加工后的榫槽作金相检查。检查试块加工表面的变形层、拉扯、剥落及裂纹情况。
2．3 铣削余量分配
分配原则：大余量铣削去除材料， 中余量铣削消除加工应力，小余量铣削修正轮廓型面。
考虑到榫槽槽型的工作面轮廓度要求不大于0．02mm。刀具设计数量为1套5把，粗加工3把，半精加工1把，精加工1把。刀具材料为整体硬质合金，分为直柄圆柱螺旋铣刀和直柄型面铣刀两种，精加工的铣刀直接保证榫槽最终型面。
2．4 铣刀铣削步骤
铣刀的铣削分如下5步进行， 如图3所示。
1)用直柄整体硬质合金棒铣刀粗铣榫槽上端，去除上端大部分余量。
2)用直柄整体硬质合金棒铣刀粗铣榫槽下端，去除下端大部分余量。
3)用直柄整体硬质合金成型粗铣刀粗铣榫槽轮廓型面。
4)用直柄整体硬质合金成型半精铣刀半精铣榫槽轮廓型面。
5)用直柄整体硬质合金成型精铣刀精铣+修正榫槽轮廓型面。
图3 铣削步骤示意图
2．5 切削参数确定
针对马氏体不锈钢的加工特性并结合以往加工相似材料的经验，确定合理的加工参数，在加工试块、试件时不断的验证并及时改进、修正。实际加工中选取的切削参数参见表1。
2．6 试块检验结论
加工后的榫槽投影结果与精铣刀的投影情况一致； 经金相检查， 试块加工表面的变形层、拉扯、剥落情况均合格，表面未见裂纹。
2．7 振刀问题解决
在加工试盘时发现：振刀严重、铣刀刀面崩刃、加工表面粗糙度极差。
分析原因有以下两个方面：
1)夹具定位止口的外圆直径较大，铣刀悬出刀柄长度长， 铣刀的强度降低， 引起振刀。
2)零件榫槽深度尺寸相对较深，切削长度太长，余量太大，使得刀具磨损加剧，切削抗力增大，而且刀具型面尺寸最小处的强度太差， 存在断刀隐患。
针对所分析的原因，采取如下措施：
在原有夹具的基础上，减小定位止口外圆尺寸， 以达到减小刀柄悬出长度、增加刀具刚性的目的。
另外， 在最初设计的4把铣刀之外， 再增加一把直柄整体硬质合金成型半精铣刀，将原来的精加工余量分成了两部分，仅留小部分余量给精刀。这样有利于减小零件的变形，减小切削力和刀具的磨损，提高零件榫槽表面加工质量， 解决振刀问题。
2．8 保证槽型尺寸及精度
在加工试块时，铣削的榫槽是直槽，加工中不存在让刀的问题。在加工试盘时， 由于铣削的榫槽是与正式零件一样的斜榫槽，于是加工中出现了严重的让刀现象，而且零件加工表面的粗糙度低。
通常铣削榫槽的工艺方法是用铣刀从上至下一次铣削成型。这种加工方式铣直槽和精度低的槽没有问题，但对于斜槽和精度高的槽来讲，铣出来的榫槽无论尺寸还是粗糙度都很难保证。因为采用铣削的方式加工榫槽时，榫槽型面是靠成型铣刀一次保证的，铣削时榫槽左右两侧的加工状态是不一样的，刀具两侧存在刀具旋转方向与走刀方向相反、加工面的受力方向不一致、切削热及切屑不易排出等问题，导致零件加工表面粗糙度差，出现竖沟加工痕迹，零件加工表面两侧的粗糙度不一样。
另外，加工斜榫槽时，进口、出口均有一段是单边切削，振刀严重，会导致榫槽的角度出现偏差，长度越长让刀现象越严重。
针对这些情况，在用成型铣刀铣加工时采用了啄铣的加工方法， 如图4所示。即铣削5mm后回退lmm，然后再继续铣削5mm后回退1mm的循环加工的方法。这样可及时排除铁屑、减少表面地划伤；有效排除让刀； 减少刀具磨损，提高刀具的使用寿命。
图4 啄铣方法示意图
3 结论
风扇轮盘枞树形长榫槽铣加工，通过采用适当的工艺措施及质量控制手段， 最终完成了某机风扇轮盘的试制任务，为该类零件加工积累了宝贵经验。
采用铣加工方式，使用直柄整体硬质合金成型精铣刀可以保证枞树型榫槽设计要求。特别是在产品交付周期短、生产准备时间不足的单件生产条件下，枞树形榫槽的铣削不失为一种经济可行的方法。但加工中过程控制要求高，生产效率低，不适应批量生产。
成型铣刀是靠刀具的轮廓保证零件的型面， 设计时要考虑刀具的磨损。整体硬质合金成型铣刀的制造要求高，刀具磨损后的修磨难度大。从实际加工中看，刀具设计时应增加铲背结构， 以增加刀具的修磨次数，延长刀具的使用寿命。
参考文献：
[1] 王先逵．机械加工工艺手册[M]．北京：机械工业出版社， 2007．
[2] 冯道．机械零件切削加工工艺与技术标准实用手册[M]．安徽文化音像出版社，2003．(end)
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(8/11/2011) |
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