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航空盘环类件边缘处理工艺研究

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[摘要]通过针对自动倒角机的固定轴铣削、机械刷光、磨粒流、振动光饰的组合边缘处理加工工艺方法的研究,优化各类边缘数控无人干预加工工艺,关注零件边缘部位表面完整性指标控制,解决原始传统加工工艺导致加工过程中产生刀痕、划伤等表面缺陷的问题。本文针对航空发动机盘环类件边缘部位的倒圆、去毛刺以及抛光去除重熔层等开展基于表面完整性的加工工艺相关研究,提高航空发动机盘环类件的服役寿命。

[关键词]表面完整性;疲劳失效;边缘处理

航空构件中疲劳失效占80%以上,特别是飞机、发动机关键构件,疲劳是安全服役威胁最大的失效模式,而疲劳源绝大多数情况萌生于零件表面。航空发动机转子上的盘环类件是发动机的关键部件,在高温、高压、高速旋转的恶劣环境下工作,承受着复杂的动载荷,这类零件的寿命和可靠性对发动机的寿命和可靠性起着决定性的作用。随着发动机推重比和涡轮前温度不断提高其应力水平越来越高,盘环类件的边缘部位成为发动机疲劳失效的疲劳源主要萌生部位。盘环类件的边缘部位在机械加工后,常常造成表面机械加工损伤,这些损伤属于机械加工表面完整性范畴,宏观检查不能直接发现,但却成为疲劳源的萌生部位,影响零件的疲劳寿命。开展基于表面完整性控制的边缘加工工艺研究,优化工艺方法与参数,使发动机盘环类零件的边缘加工过程受控,提高抗疲劳性能,延长使用寿命。随着航空发动零件生产批量的加大和新兴材料的出现,原始传统的盘环类旋转件的边缘加工工艺已不能满足抗疲劳制造技术的和表面精细加工技术的要求,提高优化各类边缘数控无人干预加工工艺,关注边缘部位表面完整性指标控制,对确保航空发动机盘环类旋转件易产生疲劳失效的边缘部位处于受控状态起到了至关重要的作用。

1表面完整性机械加工的影响因素

零件由毛坯到成品的机械加工过程中,会在零件加工表面上留下不同程度表面缺陷,如表面凹凸不平、边缘棱边残缺、飞边毛刺、微观裂纹等。它们的产生和存在,不仅会影响零件本身的质量和使用性能,也会影响零件装配后精度和服役寿命。机械加工中用“表面完整性”来评价一种或几种加工工艺方法获得的零件表面层几何的、物理的、化学的状况。其主要表达内容分为两方面:①加工表面的几何特征:如表面粗糙度、表面纹理、加工表面缺陷等。缺陷种类很多,在切削加工中产生最多的缺陷为尖边与毛刺。尖边与毛刺指在切削加工时,由于塑性变形和表面撕裂等原因,在加工表面的棱边处派生出多余的微小尖棱凸起物。②加工表面层的物理力学性能:如反映表面层的塑性变形与加工硬化、表面层的残余应力及表面层的金相组织变化等方面的物理力学性能;反映表面锈蚀、光学性能等方面要求的其他特殊性能。表面完整性机械加工是通过有效控制机械加工参数、采用适合的刀具、选择适宜润滑方式和刚度好、精度好、无振动的机床等工艺方法,控制表面完整性的加工技术。表面完整性机械加工的基本理念和技术目标是高效、精密和抗疲劳。针对不同的切削加工工艺方法,通过合理选择工艺参数,正确的刀具材料和刀具几何参数和冷却方式,获得所需的零部件加工后的表面几何特性和表面物理性质,提高加工零件的表面完整性。

2基于表面完整性控制的盘环类件边缘处理工艺

2.1边缘处理

在盘、环等零件的边缘进行倒棱后去除毛刺并尖边倒圆。

2.2边缘处理工艺方法

边缘处理工艺方法主要有固定轴铣削+磨粒流加工工艺,固定轴铣削+磨粒流工艺,固定轴铣削+机械刷光工艺,用固定轴铣削法进行倒棱,用磨粒流加工、振动光饰工艺、机械刷光进行去毛刺和尖边倒圆。

2.3自动倒角技术加工榫槽边缘倒圆工艺

自动倒角机的固定轴铣削工艺特别适用于孔、异形孔及异形件棱边的倒圆,如:盘的榫槽边缘及盘轴异形孔边缘等。数控铣床加工后的倒棱,还需要使用机械刷光或磨粒流等设备来进行棱边的光整、倒圆及去毛刺。盘类零件榫槽边缘倒圆传统工艺方法是手工操作,其加工效率低,加工后零件的质量差,尺寸一致性不好,加工中依赖个人技能水平,不能满足零件高质量的加工要求。利用自动倒角机对榫槽边缘进行倒圆加工,再利用毛刷和振动光饰方法提高倒圆处的光度,和保证圆滑转接。利用自动倒角机,通常倒圆R0.4-R0.6的圆角,需要进行10层的切削,以保证圆角的圆滑,提高尖边倒圆的一致性。铣加工后的倒圆表面粗糙度较低,通常只能达到Ra6.3,为了提高零件倒圆后的粗糙度,在设备上装置了两种固定刷,一种硬毛刷,一种软毛刷,各刷饰了30分钟,加工后的效果比较理想。机械刷光工艺是使用刷轮通过机械的往复或者旋转运动对零件表面进行加工处理。刷轮一般为布轮和由金属丝,动物毛,天然或人工纤维等制成刷轮。机械刷光可以快速去除零件表层的毛刺,焊渣、氧化皮及棱边圆滑过渡等,不会破坏零件的几何形状。通过减少手工打磨工艺的应用,保证关键件关键尺寸全部采用机械化加工来实现产品质量的稳定性和一致性。机械刷光工艺特别适用于异形孔及异形件棱边的去毛刺、尖边倒棱及光整,如:涡轮盘榫槽边缘、涡轮叶片榫齿边缘及盘轴异形孔边缘等。加工后对刷饰后的榫槽边缘进行了应力检测,结果表明,加工前为拉应力,加工后零件表面变化为压应力,应力状态得到了较好的改善。通过对进行铣削和自动抛光的复合加工方法,该工艺方法倒角、倒圆一致性好,降低表面粗糙度值效果明显。实现零件尖边倒圆的机械化,提高零件边缘加工后尺寸的一致性,防止加工后零件边缘出现接刀台阶现象。

2.4圆柱面上异形孔边缘加工工艺

孔口边缘处理工艺一般是在孔精加工后,对孔进行正、反倒角或倒圆及倒角棱边倒圆的加工,孔口边缘的处理一般包括孔口倒圆、孔口倒角和孔边去毛刺。根据孔的部位不同还可分为:端面孔边缘处理、径向孔边缘处理等。根据孔口形状,可以分别设计专用的正、反倒角锪刀进行倒角或倒圆。位于同一平面圆形孔的可采用普通三坐标数控加工中心设备加工,而对于圆柱面上的径向异形孔倒圆需要五轴数控加工中心设备加工。因被加工材料为难加工的镍基高温合金材料,刀具采用整体硬质合金成型倒圆刀。铣刀切削部分由4个铣刀切削刃构成,每个切削刃由切削段和延长段组成,切削段主要实现圆角的加工,延长段主要防止切削后转接处产生台阶现象。切削刃部分的延长段为两段,分别为圆角的两侧,延长段与切削段。刀具设计成上下两部分切削刃,正反面倒圆加工刀具一体化,实现一次装夹完成孔正反边缘倒圆加工,提高加工精度,提高加工效率,使用方便,降低刀具成本较低,有效解决手工进行零件尖边倒圆的尺寸一致性差的问题。圆柱面上的径向孔边倒圆轮廓为空间曲线,为了保证各边倒圆能够圆滑过渡,设计数控五轴加工数控程序,按照倒圆曲线的实际轮廓走刀。采用专用成型刀具,通过自动倒角机固定轴无人干预数控铣削,加工后径向孔孔边倒圆尺寸大小一致并实现圆弧转接,克服了钳修工艺手工操作引起的表面凹凸不平、边缘棱边残缺、飞边毛刺、微观裂纹等表面缺陷,有效提高了加工表面质量。

2.5盘类件榫槽边缘磨粒流加工工艺

磨粒流加工可完成抛光、去除毛刺和边缘倒圆加工,磨粒流抛光的表面没有污垢,消除应力、受损的金属层等,有助于延长部件的寿命。磨粒流加工工艺特别适用于旋转零件,如风扇、叶盘、叶片、盘和隔离环等。磨粒流加工对零件复杂型面、型腔及边缘部位去毛刺并倒圆,实现精细加工,显著提高加工表面的表面完整性。磨粒流加工抛光表面均匀、完整,批量零件的加工效果重复一致。由于航空发动机盘类件榫槽拉削后,榫槽边缘为尖边,如直接利用磨粒流进行榫槽边缘去毛刺及倒圆的加工,容易使金属块状铁屑进入磨料,影响加工效果,并且加工效率也较低。利用磨粒流进行盘类件榫槽边缘去毛刺及倒圆的加工过程中,不可避免磨料进入榫槽内部并在榫槽中进行反复运动,势必会对榫槽型面尺寸产生影响。航空发动机盘类件的榫槽型面尺寸为关键特性尺寸,如果产生超差将直接影响叶片榫头与榫槽之间的配合,严重影响航空发动机性能。因此采用磨粒流工艺方法进行盘类件榫槽边缘去毛刺及倒圆的加工,关键在于控制榫槽相关尺寸不能因磨粒流加工加工后产生超差不合格,加工过程中需制定台理的工艺参数,既保证榫槽边缘去毛刺及倒圆表面质量,又要保证榫槽型面尺寸变化在设计公差范围内。试验中,进行磨粒流加工前对零件的榫槽边缘进行了预倒角0.2-0.3mm,然后用磨粒流进行榫槽边缘去毛刺及倒圆的加工。加工时设定温度摄氏25℃,速度499mm/min,10个循环、大约40分钟。加工后,分别检查所有榫槽两处滚棒值,磨粒流加工前后分别相差0.01-0.015mm,经过放大投影检查,均在公差带范围内,且加工前后滚棒值相差值可控,满足设计要求。

3结论

航空发动机盘环类件基于表面完整性控制的边缘处理工艺,针对不同形式边缘分别采用榫槽边缘倒圆及毛刺去除使用固定轴铣削方法倒棱后机械刷光加工工艺,孔边缘倒圆及去毛刺工艺使用固定轴铣削方法加工工艺,显著提高了航空发动机盘环类件边缘处理表面质量,提高尺寸一致性及表面粗糙度,加工后表面无附带损伤避免锉刀痕产生的应力集中,有助于延长部件的寿命。

参考文献

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作者:周正民;时旭;李成武 单位:中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司

航空盘环类件边缘处理工艺研究责任编辑:张雨    阅读:人次