發(fā)動機(jī)風(fēng)扇盤加工工藝分析

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關(guān)鍵詞：風(fēng)扇盤；鈦合金；圓弧榫槽；銑削

前言

傳統(tǒng)風(fēng)扇盤是單型腔輻板及燕尾形榫槽，普遍的加工方法是車削輻板、榫槽拉削成型。某型大涵道比風(fēng)扇單元體中的風(fēng)扇盤零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價值昂貴[1]。該零件主要是采用雙型腔輻板和圓弧榫槽特殊結(jié)構(gòu)，鈦合金TC4材料，由于風(fēng)扇盤結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，使型腔車削和圓弧型榫槽的加工工藝尤為復(fù)雜，根據(jù)以上特點(diǎn)，我們精心設(shè)計了加工工藝，制定合理的工藝路線以及工裝的選用，與多種檢測手段相結(jié)合，使零件最終得以順利交付。在國外商用發(fā)動機(jī)中，圓弧型榫槽盤應(yīng)用較多，加工方法有精密數(shù)控車削（雙腹板）、數(shù)控銑削圓弧榫槽等方式，在檢測這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，國外也常使用先進(jìn)的現(xiàn)代檢測技術(shù)（如精度高的三坐標(biāo)測量設(shè)備、光柵測量等）進(jìn)行檢測。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)在研的型號中，開始使用圓弧型榫槽結(jié)構(gòu)，最常用的榫槽加工方式是掃描銑削，即建立一種通用的刀具模型，在其基礎(chǔ)上利用包絡(luò)理論計算刀具掃描包絡(luò)面在每個刀位點(diǎn)的特征線方程，從而進(jìn)行銑削，因設(shè)備精度和工藝問題，造成加工的榫槽精度不高，特別是輪廓度和粗糙度較難滿足要求。而至于國內(nèi)通用的榫槽檢測方法是采用現(xiàn)代自動化測量設(shè)備（如三坐標(biāo)測量機(jī)）近似檢查，再結(jié)合工藝裝備（專用夾具、測具，如型面樣板通止端等）對零件進(jìn)行測量，也有采用投影方式進(jìn)行檢查，但由于圓弧榫槽是圓弧形的，投影方式不便于投影于切面，造成誤差大。

1鈦合金材料風(fēng)扇盤切削特性

風(fēng)扇盤材料為TC4鈦合金，材料的熱導(dǎo)率低，又極易粘刀，積聚在切削刃口的熱量不易散發(fā)，切削溫度升高，造成刀具磨損和破損，加工過程中零件容易產(chǎn)生變形，加之零件本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道開敞性差，加工精度要求高，極不易保證加工精度，因此，鈦合金風(fēng)扇盤的雙型腔車削及圓弧型榫槽銑削性能加工性極差，零件的加工難易程度屬于難加工[2]。與45#鋼相比較，相對加工系數(shù)，車削是45#鋼的14%～31%，磨削是45#鋼的7%～12%。

2零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

圖1、圖2分別為風(fēng)扇盤圓弧榫槽結(jié)構(gòu)示意圖和風(fēng)扇盤圓弧榫槽徑向剖視圖。風(fēng)扇盤零件直徑為569mm，尺寸較大，榫槽數(shù)量多，為大轉(zhuǎn)接圓弧R轉(zhuǎn)接的深型腔結(jié)構(gòu)（R是零件加工的一種圓弧過渡），圓弧型榫槽空間尺寸多、尺寸精度高，榫槽工作面輪廓度僅有±0.02mm，非工作面輪廓度±0.035mm，且零件為鈦合金難加工材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，榫槽尺寸又深又寬且技術(shù)條件嚴(yán)格，加工尤為困難。榫槽開敞性差，加工過程中不易夾住。榫槽全長公差要求不大于0.015mm，所有未注回轉(zhuǎn)直徑跳動不大于0.05mm。要全部保證尺寸精度要求及技術(shù)條件難度很大。

3風(fēng)扇盤加工工藝

3.1風(fēng)扇盤主要加工工藝路線

風(fēng)扇盤的主要加工工藝路線為鍛件→細(xì)車大端→細(xì)車小端→去應(yīng)力→半精車大端→半精車小端→車榫槽試樣件→銑腐蝕試樣件→中間檢驗→腐蝕檢查→精車基準(zhǔn)→精車大端型面→精車小端及型面→鉆定位孔→銑小端花邊、鉆孔→銑大端花邊及榫槽→鉆中段花邊孔→鉆大端花邊孔→去毛刺→標(biāo)印→熒光檢查→清洗→檢驗→噴丸→噴涂→磨外圓及端面→噴涂榫槽→車兩端基準(zhǔn)→靜平衡→標(biāo)印→檢驗。

3.2雙輻板型腔車削

盤類零件加工中，車削加工占了零件大部分的工作量，尤其在型面的車削加工過程中特別容易變形，加上鈦合金（TC4）的切削加工性差，不易保證加工精度，使用大轉(zhuǎn)接圓弧R轉(zhuǎn)接，用數(shù)控車床加工，采用不同的車刀，從不同的進(jìn)刀方向使其轉(zhuǎn)接圓滑，且2處大轉(zhuǎn)接圓弧R轉(zhuǎn)接不允許接刀，以保證零件型腔轉(zhuǎn)接圓滑[3]。針對雙腹板，也采用一次裝夾分工步進(jìn)行加工，中刀精車底部、左刀粗車左側(cè)壁、右刀粗車右側(cè)壁、左刀精車左側(cè)壁、右刀精車右側(cè)壁共5個工步。零件的裝夾定位是專用車床夾具。為滿足圖紙要求，選用了剛性好、精度高、主軸跳動和軸向竄動小的立式數(shù)控車床加工該零件。

3.3圓弧榫槽銑削

零件的裝夾定位需要使用專用夾具。為滿足圖紙要求，選用了剛性好、精度高、主軸跳動和軸向竄動小的臥式四軸數(shù)控銑設(shè)備加工該零件。加工圓弧榫槽的時候，先在端面上鉆3個小孔，其中2個孔為定位孔，在臥式加工中心上先將大端和中段花邊銑好，然后加工榫槽。合金棒銑刀粗銑榫槽花邊、合金球頭銑刀精銑榫槽花邊、機(jī)夾銑刀粗銑榫槽中部、30°的度刀粗銑榫槽開口處為55°倒角（度刀是一種帶角度的工具）、T型銑刀粗銑榫槽內(nèi)腔、反錐度銑刀粗銑榫槽工作面、半精成型銑刀銑整個榫槽輪廓、精成型銑刀精銑整個榫槽輪廓共8個工步[4]。

3.4檢測及結(jié)果

該鈦合金風(fēng)扇盤的雙輻板車削，由于輻板深、位置封閉，內(nèi)部尺寸及大轉(zhuǎn)接圓弧R根本無法檢測，只有準(zhǔn)確將徑向、軸向基準(zhǔn)的對刀面找正，在機(jī)床上找一個基準(zhǔn)尺寸去對應(yīng)測量，然后配合型面樣板著色檢測（無法透光檢測），方能滿足要求。圓弧型榫槽的型面檢測，圓弧榫齒檢測是對榫槽工作面輪廓±0.02mm、非工作面±0.035mm的控制，用CMM分出不同高度的5個截面踩點(diǎn)檢測，通過數(shù)據(jù)處理對被測截面的形狀、信息和理論榫槽模型進(jìn)行比對，并出具比較直觀的數(shù)據(jù)報告來獲得榫槽截面形狀輪廓度結(jié)果，再配以型面樣板通止端及轉(zhuǎn)接器、平塞規(guī)等進(jìn)行檢測。在對鈦合金風(fēng)扇盤進(jìn)行加工的過程中，關(guān)鍵在于要從制定合理的裝夾方式、選用合適的專用車刀以及銑刀（分開槽，粗、精銑刀）、加工參數(shù)的合理選擇及熱處理工序的安排等方面綜合考慮，從而優(yōu)化加工工藝。圓弧榫槽型在廠內(nèi)屬首次加工，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計、制造專用夾具，選取合理的成型刀具加工。在機(jī)床上先用同樣尺寸的先鋒盤試加工，驗證夾具能否裝夾、是否與機(jī)床行程干涉，然后按編制好的數(shù)控程序加工，利用UG軟件的附加刀路，先鋒件（即試驗件）加工完成后，在機(jī)床上用榫槽型面樣板通、止端檢測單個榫槽尺寸大小，確保刀具沒有問題，能滿足榫槽的尺寸大小。按零件的理論值建立三維模型，通過三坐標(biāo)采點(diǎn)檢測后生成數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理得到實(shí)際加工實(shí)體，再與理論模型比對的方法，確認(rèn)刀具的安全準(zhǔn)確，并得出實(shí)測結(jié)論后，才可以加工正式零件，以保證刀軌安全、流暢、高效、保證零件的銑削加工質(zhì)量。

4結(jié)論

在對鈦合金風(fēng)扇盤進(jìn)行加工的過程中，要合理安排零件工藝路線和加工工藝方法的制定，解決鈦合金盤雙輻板型腔的車加工和銑削圓弧型榫槽加工問題時，主要是克服材料的加工性能差，零件結(jié)構(gòu)敞開性差，刀具磨損嚴(yán)重，表面質(zhì)量差等問題，關(guān)鍵在于從制定合理的裝夾方式、選用合適的專用車刀以及銑刀（分開槽，粗、精銑刀），對加工參數(shù)的合理選擇及熱處理工序的安排等各方面進(jìn)行綜合考慮，從而優(yōu)化加工工藝。通過對鈦合金風(fēng)扇盤的試制加工，我們已經(jīng)逐步積累了一些加工經(jīng)驗和零件的加工難點(diǎn)，為以后小批量的零件生產(chǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳明和，吳心晨，謝蘭生，等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片的雙層制造工藝及其毛坯優(yōu)化設(shè)計[J].稀有金屬材料與工程，2019，48（6）：1717-1724.

[2]趙正彩.鈦合金空心風(fēng)扇葉片前后緣自適應(yīng)數(shù)控加工研究[D].江蘇：南京航空航天大學(xué)，2017.

[3]平波.鈦合金圓弧榫齒高效精密加工技術(shù)研究[D].江蘇：南京航空航天大學(xué)，2015.

[4]徐九華，趙正彩，傅玉燦，等.鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片數(shù)控切削加工關(guān)鍵技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，46（5）：659-666.

作者：王開封 喬雷 徐艷 黃晨 單位：中國航發(fā)航空科技股份有限公司