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第 2 卷
2014 年
3 月刊
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第 2 卷- 2014 年 3 月刊
航空发动机盘类零件榫槽异型面刷削工艺概述



图1:刷床的三个刷削头装置


表1:不同倒棱处理方法对刷削处理后效果的影响对比


图2:刷削后造成的爬坡现象


图3:刷削用棉布轮


图4


图5


图6


图7:尖边倒棱0.0-0.2


图8:尖边倒棱0.0-0.5


图9:尖边倒棱0.0-0.5


图10


图11


图12:某盘类零件最终局部刷削效果图

摘要:航空发动机盘类零件榫槽异型面刷削工艺是一种榫槽尖边倒圆的新工艺,西安航空动力股份有限公司结合外贸转包盘类零件生产,针对榫槽异型面刷削工艺进行了探索与研究,总结出了属于自己的加工参数及工作程序,成为国内新创加工技术,提升了盘类零件的表面加工水平。

0. 引言

  航空发动机转子盘类零件不但要在高温、高压、高速的环境下工作,同时还要承受巨大的载荷和应力。在盘类零件加工过程中,榫槽部位大多是由拉床拉削而形成,榫槽部位所承受的外力最大,是典型的应力集中区。
  盘类零件在拉槽工序完成后,要对榫槽边缘的毛刺进行清理和尖边倒圆。毛刺清理和尖边倒圆是机械加工中的常规工序,但航空发动机转子盘类零件加工中忽视此类工作的重要性,将会产生严重的后果。
  榫槽尖边倒圆属于表面边缘处理工艺,其方法很多,如:手工打磨工艺、固定轴铣削工艺、大型精加工工艺、磨粒流加工工艺、手工工艺等,但是由于零件的特殊性,这些方法都存在着局限性。
  航空发动机盘类零件榫槽异型面刷削工艺是一种榫槽尖边倒圆的新工艺,西安航空动力股份有限公司使用国内第一台3轴11自由度的全自动数控刷床对该工艺进行了探索与研究。

1. 原理概述

  刷削加工的原理并不复杂,是应用刷床,通过粘结在布轮上的磨料与旋转的零件进行摩擦从而产生刷削的效果,这种加工方法材料去除量很小,主要起去除毛刺和尖边倒圆的作用。磨料由气压从储料缸压出,通过喷枪喷到高速旋转的布轮上,布轮与零件接触产生压力,刷削头的刷削压力是通过控制刷削头驱动电机的电流来实现的,压力通过内部转换以电流的形式反映出来,压力越大电流越大。使用的刷床由三个刷削头装置组成,如图1所示。
  三刷削头分别用于刷削盘类零件的最大外圆,盘类零件榫槽下端面的分边棱线和盘类零件榫槽上端面的分边棱线。刷削棉布轮可调倾角,调整范围为-18°— +20°。每个刷削头有一个喷嘴,在刷削时喷嘴喷出磨料。旋转工作台安装在一个带夹具的小车上,零件可随夹具和小车一起移动。

2. 影响质量和效率的主要因素

  影响刷削质量和效率的因素有很多,通过因果图分析法找出了可能的影响刷削质量和效率的主要因素如下:
  刷削前零件倒棱处理方法、刷削前零件倒棱尺寸、刷削棉布轮、磨料粘稠度、气罐压力、喷枪位置、刷头角度、布轮转速、磨料喷射周期和刷削时间。

2.1不同倒棱处理方法对刷削处理效果的影响

  由于刷削去除的材料量很小,仅是对盘类零件榫槽加工中造成的尖边起到一定的倒圆作用,因此应在刷削前对盘类零件榫槽进行倒棱处理。表1为不同倒棱处理方法对刷削处理后效果的影响对比。
  常用的倒棱处理方法,如用砂布拉削会产生细微裂纹,这种裂纹在发动机工作时会扩大,可能导致严重后果发生。砂布拉削后的纹路刷削无法去除。油石推磨法去除毛刺不明显,给刷削带来困难,无法保证倒棱处理的尺寸要求。旋转锉去毛刺对工人经验依赖性大、可控制性差,而且在零件表面留下的印记刷削后无法去除。由此可见,刷削前的零件倒棱处理方法必须改进,而改进后的处理方法可以达到良好的效果。由表1可以看出,除改进后的方法外,其他常规倒棱处理方法经刷削后效果均不理想。

2.2 刷削前零件倒棱尺寸对刷削处理效果的影响

  经实验发现刷削前零件倒棱尺寸对刷削后的质量有直接的影响。由于刷削对倒棱转角R处的去除余量较大,会导致刷削后R转接处产生“爬坡”现象(如图2所示)。因此,刷削前零件倒棱尺寸要控制在一定的范围之内,理想的刷削前零件倒棱R尺寸应在0-0.5mm之间。

2.3 刷削用棉布轮对刷削处理效果的影响

  刷削用的布轮有两种,一种是没有用线缝过的白色宽布轮,另一种是用线缝过的黄色窄布轮,如图3所示。
  布轮的状态是决定刷削的重要因素之一,布轮不平将会导致刷削过程中布轮被甩出,刷削到不需要抛刷的位置,导致零件报废。布轮的宽度如果大于榫槽宽度过多,刷削区域增大,不需要刷削的位置也被包括在内,同样可能导致零件报废。
  布轮宽度的选择取决于盘类零件榫槽的尺寸。最佳宽度选择是棉布轮在刷削过程中刚好覆盖整个榫槽,这样刷削时不会刷到盘类零件的其他表面。

2.4 磨料粘稠度对刷削处理效果的影响

  磨料粘稠度对刷削效果有着直接的影响,磨料稠度需要根据零件刷削后的刷削效果来确定。
  刷削实验后发现,对于2:1稀释的磨料,由于磨料稀释较大,影响了刷削效果。采用4:1的比列,经过实验发现,刚开始效果很好,当磨料用掉一半时开始磨料逐渐变稀,影响抛刷效果。不稀释的效果最好,但缺点是黏度大(14.38%)不易清洗,因此对完成刷削的盘类零件在检验合格后立即进行清洗,以防止时间过长研磨剂干燥后清洗困难。

2.5 气罐压力、喷枪位置和刷头角度对刷削处理效果的影响

  刷削系统的工作原理是将液态磨料装入一个压力容器中,通过向容器中施加压力空气,将容器中的磨料通过管道压入喷枪中,由喷枪将研磨剂喷射在抛光轮上均匀涂布。如果容器中压力过小就无法把足够的磨料压入喷枪,这样会影响刷削效果,如果压力过大会导致压力罐爆裂的危险。
  在刷削过程中喷枪的位置也直接影响着刷削质量。压力喷枪型号为日本岩田WA-100-102P,喷出磨料的形状有条状、雾状、点状,可以通过喷枪上的旋钮调节磨料的形状。喷枪的位置靠前或者靠后都会导致磨料不能喷在布轮的正中间位置,布轮前后粘附的磨料不均匀,影响刷削效果。
  由于盘类零件形状复杂,要保证榫槽的所有位置都被加工到,就需要采用倾斜角抛刷工件。在刷削过程中,随着布轮的磨损,程序会走插补满足刷削,由于角度不合理出现一部分布轮被带出榫槽,随着时间的延长整个布轮都被甩出,刷削到不需要抛刷的位置,导致试验件某些尺寸超差。

2.6 布轮转速、磨料喷射周期和刷削时间对刷削处理效果的影响

  外方对钛合金盘零件处理的要求非常严格,不允许有加工纹路和电火花的产生,不允许零件表面的金相破坏,在试验过程中,布轮转速为1500RPM,布轮转速太大会造成零件表面起火花。
  磨料喷射周期长,靠布轮刷削零件,布轮磨损快而且布轮会烧焦;磨料喷射周期短,可以保证刷削时有足够的磨料,靠磨料进行刷削,布轮磨损慢,刷削效果好。
  刷削时间是影响刷削质量的重要因素之一。时间短榫槽各型面的倒棱尺寸R要求无法达到,时间长会导致倒棱尺寸R尺寸超差。

3. 改进方案与措施

3.1 刷削前零件倒棱处理方法的改进

  改进后的刷削前零件倒棱处理方法采用以碳化硅尼龙轮为主、旋转锉为辅的加工工具,用风枪夹持加工(见图4、图5和图6)。先用旋转锉去除拉削产生的大毛刺,再用尼龙轮进行倒棱加工,同时采用拉削油覆盖加工零件表面,迅速降温。严格限制使用风枪的最高转速,3英寸尼龙轮最高转速限定于12000R/M,0.75英寸尼龙轮最高转速限定于30000R/M,从而杜绝了加工过程中火花的产生。

3.2 刷削前零件倒棱尺寸的改进

  对刷削前零件的倒棱尺寸进行了严格控制,不同部位的倒棱尺寸应在一定的范围之内,并在各种钳工工具的配合使用下,保证了刷削后的尺寸都能满足设计图要求。榫槽各型面倒棱尺寸的最佳范围如图7,图8和图9所示。

3.3 刷削棉布轮的改进

  由于每个布轮的平整度不同,所以在装夹布轮前先要将布轮处理平整,避免布轮被甩出和影响加工质量及参数的确定。
  布轮厚度的选择取决于所要刷削的盘类零件榫槽的尺寸。最佳厚度选择是棉布轮在刷削过程中刚好覆盖整个榫槽,这样刷削时不会刷到盘类零件的其他表面。因此通过实验选择用线缝过的窄布轮,如图3b所示。

3.4 磨料粘稠度和气罐压力的改进

  不加水使用原浓度的磨料,在喷磨料前要充分搅拌,经过实验论证刷削效果良好。使用原浓度磨料,粘稠度大,在原气罐压力下,不能保证喷涂足够的磨料,经过实验将两个气罐的压力定为20-40psi。

3.5 喷枪位置和刷头角度的改进

  调整喷枪的位置,使磨料喷在布轮中间,保证布轮两侧都能均匀分布磨料。
  刷头角度需要根据零件夹紧状态和刷削部位的角度来确定。图10和图11显示了不同盘类零件刷头位置和刷头角度。

3.6 布轮转速和刷削时间的改进

  为了避免火花的产生要降低布轮转速,但并不是转速越低越好,转速过低布轮偏摆幅度大、刚性差、刷削去余量小,不利于生产,综合考虑将布轮转速定为1000 RPM。
  刷削时间的确定要非常准确,经过多次试验将刷削时间定为正转300s反转240s。

4. 结束语

  航空发动机盘类零件榫槽部位经刷削后不仅保证了尺寸及精度的合格,还达到刷削后榫槽边缘的完整性和光滑性,最终局部刷削效果如图12所示。
  在刷削工艺使用之前,航空发动机盘类零件榫槽加工面尖边倒圆的加工方式基本是手工加工。手工加工方式中,榫槽不可能完全达到圆滑转接。另外由于榫槽数量过多,手工加工要做到一致性非常困难。
  航空发动机盘类零件榫槽异型面刷削工艺是一种榫槽尖边倒圆的新工艺,西安航空动力股份有限公司结合外贸转包盘类零件生产,针对榫槽异型面刷削工艺进行了探索与研究,总结出了属于我们自己的加工参数及工作程序,成为国内新创加工技术,提升了盘类零件的表面加工水平。



作者:吴江
工程师,航空动力股份有限公司国际业务分公司莱特制造部工艺技术处处长,长期从事航空发动机外贸零件的制造技术工作

作者:王芳
助理工程师,航空动力股份有限公司国际业务分公司莱特制造部工艺技术处,从事航空发动机外贸零件的制造技术工作

航空动力股份有限公司国际业务分公司
中国陕西省西安市未央区凤城十二路出口加工区西航莱特公司 (邮编:710021)
联系人:吴江,电话:+86.13609261863,邮箱:wuj811@126.com
联系人:王芳,电话:+86.13619291499,邮箱:wangfang19851125@163.com


 
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