高压压气机盘内花键加工技术研究

王开封 柴树林 乔雷

摘要：随着我国大飞机的项目的启动，带来的是大型发动机的迫切需求，我公司承制了某型号发动机的研制。该型号发动机压气机转子部件在设计过程中大量采用钛合金材料，其中在高压压气机多个级别中采用了钛合金盘结构。高压压气机盘的内花键尺寸精度高、位置度要求严格;材料为钛合金TC6，具有易收缩变形特点，对于钛合金材料易收缩变形特点，科学制定工艺方法，设计制造刀具，以保证压气机盘内花键尺寸及位置度精度要求。本文针对盘用铣削方式时内花键裂纹，如何优化工艺，提高抗疲劳强度，较详细地介绍了盘内花键的拉削工艺，根据此加工方法加工的零件，完全满足产品设计要求，质量和生产效率也大大提高。

Abstract： With the launch of China's large aircraft projects， there is an urgent need for large engines. Our company has undertaken the development of a certain type of engine. The rotor parts of this type of engine compressor are widely used in the design of titanium alloy materials. Among them， titanium alloy disc structures are used in many levels of high-pressure compressors. The internal spline of the high-pressure compressor disc has high dimensional accuracy and strict positional requirements. The material is titanium alloy TC6， which has the characteristics of easy shrinkage and deformation. For the easy shrinkage and deformation of titanium alloy materials， scientifically formulated process methods and design and manufacture tools to ensure the precision requirements of the size and position of the spline in the machine panel. This article aims at the internal spline cracks in the milling method of the disc， how to optimize the process and improve the fatigue strength， and introduces the broaching process of the spline in the disc in detail. The parts processed according to this processing method fully meet the product design requirements and quality. And production efficiency is also greatly improved.

关键词：立式拉床;整体棒拉刀;内花键拉削;裂纹;拉削变形

Key words： vertical broaching machine;integral rod broach;internal spline broaching;crack;broaching deformation

0  引言

某发动机高压气机盘与高压压气机轴采用矩形内花键连接，传递扭矩大，花键根部易出现裂纹对发动机的安全是极大的隐患。由于内花键加工精度和技术要求很高，且材料为钛合金，加工难度很大。传统铣削内花键的加工方式采用立式加工中心配备小型弯头进行加工，具有以下缺点：①盘在做疲劳试验时花键根部裂纹，未达到设计规定的要求;②弯头价格昂、容易磨损，修复后加工精度会降低;③零件加工时间长、设备效率低;④由设备间隙及分度间隙及加工该键槽过程中刀具“往复行程”造成产品质量不稳定性。

由于铣削加工这种低效率的工艺方法已经不能满足批产的装机需求，通过试验了多种工艺加工零件，最终确定采取拉削方式加工矩形内花键，以达到解决零件花键根部裂纹、提高产品效率、质量的目的。新工艺需要解决和突破的关键技術：①用立式拉床设备采用整体拉刀一次成型矩形内花键且不允许有裂纹现象;②通过优化刀具结构参数，实现由两把拉刀完成高压压气机多个级盘矩形内花键的加工;③通过合理的方法控制薄壁类钛合金零件在拉削过程中零件的变形，确保压气机盘内花键尺寸及位置度精度合格;④通过高效的拉削成型加工方式代替了步进量小，加工周期长且加工表面质量相对不够好的铣削加工方式。

1  主要技术内容

鉴于国内尚无如此高精度的盘内花键拉削加工工艺，为保证内花键尺寸和技术要求，只能专门针对内花键的特殊结构，装夹采用自动定心并辅以防止变形工装;通过刀具设计、刀具试验、高精度整体棒式拉刀制造技术，优化刀具结构和加工过程各项参数;通过反复修磨拉刀、摸索拉削速度最终确定一个最佳参数;以合理的方法控制零件在拉削过程中的变形量，来实现盘内花键安全、流畅、稳定、高效加工。

1.1 压气机盘内花键的结构和技术现状

航空发动机高压压气机盘材料为钛合金，零件上内花键部分为薄壁区域，且内花键设计精度高、表面光度要求高，如图1所示。加工过程中会出现严重的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。

1.2 技术难点分析和措施

①刀具精度要求极高，无相关专用设备无法达到尺寸要求。

②解决高压压气机盘材料难加工的难题（钛合金TC6），合理设计拉刀的齿升量、齿距，以解决各级盘内花键长度尺寸（拉削长度）不一致的问题。

③解决内花键拉削加工时拉削速度、冷却及设备间的合理搭配的问题。

④解决被加工零件为薄壁类零件，需控制加工过程中的变形问题。

⑤解决内花键键槽宽度尺寸公差小、位置度要求严，检测困难的技术难题。

1.3 刀具的设计及制造

刀具的设计考虑到各级压气机盘有效拉削长度及拉削空刀槽的长度不一致，最终通过确定为设计两把拉刀达到分别满足多个级压气机盘的拉削。刀具的精磨采用德国REFORM公司拉刀磨ZSM3000-G（如图2）制造，该设备分度精度为3″，对拉刀的精度检查为：分度精度为0.005mm。

高压压气机中有多个级的材料为TC6，此材料具有变形系数小、切削温度高、单位面积上的切削力大、刀具易磨损等特点。切削内花键时，由于导热系数很小，切削时热量不易导出，温度很高;同时单位面积上的切削力很大，容易造成蹦刃，另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性很好，在切削温度高且单位面积上的切削力大的状态下，很容易粘刀并加速刀具磨损。针对上面的难点，选用了进口S500高速钢材料;同时在刀具几何角度及结构参数：前角、后角、刃带后角、宽度、齿升量、齿距、容屑槽、分屑槽的选择上进行了优化：故而选取拉刀前角为15°，后角则根据粗精切削刃选取3°和1.5°不同的角度;刃带后角根据粗精切削刃选取60°和50°不同的角度;宽度為0.05和0.2～0.6不等;考虑到钛合金的切削性较差，选取较小的齿升量，齿升量为0.02、0.015、0.01不等;考虑到刀齿周期性地切入、切出，引起拉削力和拉削速度周期性变化，会造成零件产生环形波纹，为避免该类问题发生需要增加同时工作齿数，所以齿距选取为6.5、8.5、5.5不等距分布，拉刀实物见图3。

1.4 针对零件为薄壁件，在加工过程中对零件进行变形控制

内花键结构区域，最薄壁厚尺寸只有1.5mm，零件在拉削过程中会受到拉刀的径向力作用，同时拉刀的切削刃与零件之间产生热量，所以零件会产生膨胀变形，待到拉削过后零件内孔会收缩回弹，导致尺寸超差。

①拉刀尺寸设计制造过程中考虑到零件收缩量，将刀具尺寸按上差加工。

②加工过程中对零件和刀具进行冷却，控制局部温度;采用环形管均布的方式对拉刀和零件进行全方位的冷却。

③加工过程中对零件进行约束，防止零件在加工过程中受到拉削时产生的径向力膨胀变形，为减小零件在拉削过程中膨胀与收缩专门增加套箍，箍在零件的外圆（如图4）。

1.5 针对拉削加工的自定心原理，设计了拉削时的支撑工装

支撑工装如图5所示，该支撑夹具一端与拉床连接，另一面作为零件的支撑面，支撑工装结构如图5所示，因确保了支撑夹具两面的平行度及外圆与基准A的垂直度，在加工过程中只需将零件放在该支撑夹具上进行粗找正，然后由拉刀前端的锥形引导部位定心保证零件的同轴度。

2  结论

本工艺方法已全部解决和突破了这些关键技术。首次在我国实现了航空发动机高压压气机盘内花键的拉削加工技术。要实现内花键加工，保证其设计要求，只能专门针对内花键的特殊结构，通过复杂成型刀具设计、高精度制造技术，反复试验、优化参数。并使刀具参数、刀杆、和设备之间的完美配合，才能实现盘内花键安全、流畅、高效加工，确保科研生产的顺利进行。

参考文献：

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