高压涡轮转子封严盘加工工艺改进.docx

1序言封严盘是发动机高压涡轮转子部件中的关键零件，工作时处于高温、高压和高速旋转的状态，对高温下的机械性能具有很高的要求。封严盘材料为高温银基合金，硬度39HRC,加工难度很大。2零件结构图1所示封严盘形状复杂，是我公司承接美国GE公司生产的CFM56-5/-6发动机高压涡轮转子部件中的一个关键零件。其最大外径为592.17mm,中空部分最小内径为184.4mm,总高62.88mm,最小壁厚1.52mm,零件腹板前后各有一个定位止口，辐板中央部位有均布的48个异形孔，用于连接高压涡轮转子前轴和高压涡轮盘。零件外圆处有3个依次增高的封严篦齿，其下方有1个单独的斜形较长的封严篦齿，它们共同组成4层空气封严。上下两组封严齿之间有一组均布的72个异形孔供螺栓通过，用于连接外封严隔圈。80个异形斜槽均布于零件上端凹槽部位，其作用为叶片保持。其他型面多为各种斜面、锥面和圆弧，导致零件结构比较复杂。a)零件前端b)零件后端图1封严盘3零件精度分析由于封严盘与多个零件组装，配合尺寸多，因此精度要求很高。封严盘零件几何尺寸如图2所示，左右两个定位止口的尺寸均为(377.469±0.025)mm,相当于IT7级精度；四个封严齿的外径在喷涂前的公差均为±0.025mm,相当于IT6级精度定位止口、四个封严齿及轮毂内孔对基准面的跳动要求均为0.025mm;定位辐板左右端面平行度要求0.05mm;52个螺栓孔的位置度要求.1mm;要求零件定位止口的表面粗糙度值Ra=1.6m,其余面的表面粗糙度值Ra=2.3mo可见该零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度要求都很严，属于高精度零件。-5l496±0025.50480±0025|844±0%处也对g-43574±0.025.S36355±005,435945±002图2封严盘几何尺寸4加工工艺4.1 车削加工工序安排零件的加工余量如图3所示，由零件余量图可以看出的加工余量较大，该零件壁厚由内而外逐渐变薄，在加工中薄壁处容易变形，零件辐板最薄处为2.41mm,内外锥面处的壁厚仅为1.52mmo加之零件材料切削抗力大，导致致加工变形严重，深度尺寸和壁厚尺寸极易超差。考虑以上因素在编制工艺规范时，我们首先考虑的是如何控制零件翼型结构的变形，根据零件特点确定粗加工、半精加工和精加工3个阶段，零件按阶段依次进行加工，有利于释放内部应力，消除或减少变形对精度的影响。采用多工序去除余量，将零件的变形分担到各工序，在后续工序加工中消除变形。4.2 钻铳加工工序安排该零件共有两组圆周孔，且均为异形孔，在粗钻孔后，必须进行铳削加工，以达到工艺要求。零件铳削加工部位如图4所示。内外两圈孔分属两个级别，即外圈72个孔为C1.-B级，内圈孔为C1.-C级。GE公司要求C1.-C级孔必须控制扭力。两级异形孔处厚度近20mm,加工难度高，效率低。图4零件铳削加工部位端面槽底部为圆弧型面，与零件端面成一定角度并与两侧边有倒圆，因此所用刀具应为成形刀。在加工中为保证零件的型面正确，刀具应与底面垂直。现有三坐标加工中心不能满足零件的加工要求。至少应采用五轴加工中心进行精加工。在确定加工方法后，按工序集中的原则组成两道钻铳加工工序，即孔的加工和槽的加工。这样可以简化生产准备工作，减少设备数目、夹具数目及工件安装次数，缩短运输路线，有利于保证位置度,充分发挥数控加工中心的生产效率。4.3 工艺流程编制工艺流程如下：粗车前端一半精车后端一半精车前端及封严齿T车基准一精车前端T精车后端T孔加工T半精车内锥面T铳削加工T精车前端锥面一精车封严齿T喷丸等一精车后端止口一精车前端止口。共12道车削加工，2道钻铳加工，期间穿插其他辅助工序，如标记、钳工、荧光检测、喷丸及喷涂等。5调整加工工艺路线在试制过程中，发现粗车后端、半精车前端以及精车后端和前端工序后，零件定位圆有0100.17mm的变化（与机床上测量对比）触向圆跳动<0.03mmo经过原因分析后，我们决定做出以下调整：1 ）取消"粗车后端"，将该工序余量合并到"半精车前端及封严齿”工序，一并去除，节省了粗车保尺寸的工步，合并了半精车去余量工步，免除了一次装夹工作，使用陶瓷刀加工后，加工时间减半。2 ）将半精车内锥面、精车后端锥面和精车前端锥面3道工序合并为精车内外锥面，将分散在3道工序的余量合并到一起加工，翼型部分和型面部分的壁厚在一道工序保证，可以保证较好的壁厚均匀度，一般变化量0.05mm.同时保证叶片保持环部分的尺寸和形状特性，加工难度明显降低。原试制3道工序分别加工的部位如图5所示，工序合并后的加工部位如图6所示。M62±<2SIO262±OI29l0I51JtOIa）半精车内锥面b）精车后端锥面Rl62±06352464±007C）精车削端锥面图5原3道工序分别加工的部位（放大2849±007254±O254图6工序合并后的加工部位3）在实际铳削加工中，由于一组异形孔较厚，要求刀具具有较高的强度，安装长度应尽量短，但是由于零件结构问题，两组孔不能在一道工序中一起加工，因此分成两道精铳孔加工程序。同时考虑各工序加工时间的匹配问题，将较厚的异形孔的加工分开，将钻孔安排在一道工序中进行，精铳成形与另一组孔的倒角在一道工序中进行如图。改动后的工艺路线为：半精车后端一半精车前端及封严齿T精车前端一精车后端一钻、扩、铳72个孔一精车内外锥面T钻孔和铳凸台一铳前端孔、倒角T铳80个槽、48个孔倒角T精车封严齿一中检一荧光检验一喷丸T精车前端止口一精车后端止口一喷涂T成品检验一叠加投影T入库。6夹具的调整与合并在试制加工中发现油于选择了合理的加工参数和刀具型号，零件变形较小，在正常变形范围以内，过定位在加工中作用极小，调整工艺后将半精车后端、半精车前端及封严齿及精车前端工序夹具合并成一个夹具，夹具通用性强，减少了夹具的种类，易于管理和使用。夹具的调整如图7所示。图7夹具的调整7车削加工工艺改进7.1 刀具的改进合并工序后，半精车工序给精车留Imm余量。加工中使用RCGX120700WG300型陶瓷刀去除大部分余量，采用直径9.52mm的RCGX090700EWG300陶瓷刀片替代原方案所使用的硬质合金刀片。加工效率明显提高，加工时间减少34h。7.2 加工程序的改迸为最大限度地利用陶瓷刀具的切削刃，采用双向往复的切削方法进行加工，进给路线如图8所示。这样可以充分利用刀片两侧切削刃，减少局部磨损。图8进给路线8铳削加工工艺改进高压涡轮转子封严盘2116M20P02零件上有2组异形孔，1组由72个PllTFl2-B级异形孔组成，1组由48个PlITFI2-C级异形孔组成。另外，在后端面还有1组由80个异形斜槽组成，这些结构需铳削加工完成。铳削部位加工要求如图9所示。图9铳削部位加工要求8.1工艺难点分析根据零件的结构特点以及加工尺寸要求，经分析有以下几个技术难点。(1)48个异形孔的加工在现有三坐标加工中心上加装扭力监控装置(见图10),以满足对P11TF12-C级孔的加工进行控制的要求。在夹持刀具的主轴上安装扭力感应器，通过特殊转换装置，将扭力值转换为电压值，并传送到监控器中。监控器通过数据分析并和设定值对比，来决定继续加工监控或停止加工报警。对监控装置进行多次试验，证明其电压值和扭力值的换算关系满足要求。外加的扭力监控装置图10加装扭力监控装置48个异形孔原先的加工工艺为：钻一粗铳一精铳。使用Y330硬质合金钻头，加工参数为按每次6mm进行啄钻，转速为600rmin,进给量为0.06mmr<,但是由于零件材质太硬，钻头材料晶粒太细，每钻1216个孔就必须换刀。后经大量试验，将钻头材质改为K35硬质合金，将加工参数优化为每次4mm进行啄钻，转速为450rmin,进给量为0.061111nr,可满足钻2630个孔换刀。另外，经过分析和试验，将钻孔后的粗铳工艺更改为扩孔，每个零件的加工时间至少减少了30min同样，对于精铳，由于受异形孔圆弧R影响，只能使用7.4mm铳刀进行加工。孔深为18mm,转速为400rmin,进给量为0.15mmr,深度方向一次铳削让刀严重。后经大量试验，将加工参数优化为转速为500rmin,进给量为0.10mmr,深度方向可一次铳削到位，且无让刀问题。每个零件的加工时间至少减少了45mino48个异形孔属于C级孔，在实际加工过程中常产生积屑瘤，严重影响零件质量。积屑瘤一般是由于材料粘连造成的，是工件材料受压后焊在了切削刃上。当材料有化学亲和性，压力和温度足够高时，积屑瘤会发生在切削区域。最终积屑瘤会脱落并同时带走一些刀片材料，导致刀片崩刃和后刀面快速磨损。图11为异形孔断面图。对于本零件来说，一方面由于异形孔深度较深，排屑不畅，使孔壁受到挤压；另一方面因考虑成本因素，多使用修磨刀具进行加工，刀具刃口不锋利，所以异形孔壁表面加工质量较差，易产生积屑瘤。最初考虑从以下几个方面解决积屑瘤问题：使用涂层刀具。提高切削速度或增加进给量。正确使用切削液，增加切削液浓度。改进加工程序。但是考虑到成本因素，使用涂层刀具会增加生产成本，同时该48个孔有C级孔加工要求，所以程序参数不能更改，只能从改进加工程序上考虑改变加工路线。加工位置SoO+ilP改进前程序采用逆铳加工，如果用修磨刀具进行加工，孔壁表面质量不好，易产生积屑瘤，而采用新刀具则加工成本较高。分析零件结构和加工特点，选择采用顺铳加工，解决了积屑瘤问题。通过以上改进，提高了异形孔加工质量，孔壁表面质量大幅提高，没有积屑瘤产生，且修磨后的旧刀就可完成加工，降低了生产成本，保证了零件质量和正常交付。(2)72个P11TF12-B级异形孔的加工图12所示为72个P11TF12-B级异形孔的形状。加工时,替换掉原来使用的6mm,8mm整体硬质合金铳刀，改为使用某公司的氮铝化钛涂层刀具，将加工参数提高到原来的2倍。换刀点由原来的12孔增加到现在的36孑1.,通过加长切削刃长,一把刀具可完成72个孔的加工，提高了刀具寿命，降低了综合成本。图1272个P11TF12-B级异形孔的形状改进加工方法，由原来工步的粗钻孔T粗铳型孔轮廓T精铳型孔轮廓，改为粗钻孔T左右钩孔一粗铳型孔轮廓T精铳型孔轮廓。同时在加工中采用顺铳方法，减少抗力，提高表面加工质量，虽然增加了工步，但由于使用涂层刀具，提高了切削参数，总体时间约8h,减少45%o考虑到零件异形孔比较深，抗力大，最初使用ER32刀柄，但刀具悬伸量大，刚性不足，让刀严重,改用ER25规格的刀柄，刀柄直径只有28mm,夹持刀具的悬伸量大大减少，减小了刀具的振动，提高了铳削系统(机床主轴、夹持刀柄及铳削刀具)整体刚性，这也是可以增加刃长的一个原因。(3)80个异形斜槽的加工经过多次精密计算和现场试验，最后通过采用普通三坐标加工中心加转头，再利用万能角度头的组合，实现了加工端面异形斜槽的功能。图13所示为弯头加工。由于80个异形斜槽位于细长的薄壁面上，刚性极差，最开始的夹具支撑为点式支撑（见图14）,改进后的夹具支撑为面支撑（见图15）,极大地改善了零件在此处的加工刚性，基本解决了加工振刀问题。支撑杆图14点式支撑扇形J断垫环支撑杆另外为了加强刚性提高零件加工效率招铳刀总长从80mm减少到50mm,将粗铳从弯头加工改进为三坐标主轴加工。三坐标主轴粗铳如图16所示。图16三坐标主轴粗铳通过优化加工参数提高材料去除率该工序的加工时间从16h降低到IOh.9端面槽加工改进端面槽如图17所示，在每次加工完成后，R0.11mm和R0.25mm圆弧加工难度大且返工率高。于是研制新的成形刀具，实现凹槽和R0.11mm、R0.25mm圆弧共同加工。新的端面槽成形刀如图18所示。图17端面槽图18端面槽成形刀10结束语通过优化数控车削加工程序，大量使用陶瓷刀具对零件进行高速的材料去除，提高了加工效率；通过对异形孔端面槽的铳削加工进行工艺改进，有效提高了加工效率及表面质量。通过对高压涡轮转子封严盘的工艺研究，掌握了高压涡轮前旋转气封和叶片保持环新结构零件的加工技术，特别是薄壁易变形零件的加工变形控制方法。