發動機風扇盤加工工藝分析

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關鍵詞：風扇盤；鈦合金；圓弧榫槽；銑削

前言

傳統風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。某型大涵道比風扇單元體中的風扇盤零件結構復雜、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構，鈦合金TC4材料，由于風扇盤結構和材料的特殊性，使型腔車削和圓弧型榫槽的加工工藝尤為復雜，根據以上特點，我們精心設計了加工工藝，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合，使零件最終得以順利交付。在國外商用發動機中，圓弧型榫槽盤應用較多，加工方法有精密數控車削（雙腹板）、數控銑削圓弧榫槽等方式，在檢測這種復雜結構時，國外也常使用先進的現代檢測技術（如精度高的三坐標測量設備、光柵測量等）進行檢測。國內航空發動機在研的型號中，開始使用圓弧型榫槽結構，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，在其基礎上利用包絡理論計算刀具掃描包絡面在每個刀位點的特征線方程，從而進行銑削，因設備精度和工藝問題，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。而至于國內通用的榫槽檢測方法是采用現代自動化測量設備（如三坐標測量機）近似檢查，再結合工藝裝備（專用夾具、測具，如型面樣板通止端等）對零件進行測量，也有采用投影方式進行檢查，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鈦合金材料風扇盤切削特性

風扇盤材料為TC4鈦合金，材料的熱導率低，又極易粘刀，積聚在切削刃口的熱量不易散發，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生變形，加之零件本身結構復雜，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，車削是45#鋼的14%～31%，磨削是45#鋼的7%～12%。

2零件結構及技術要求

圖1、圖2分別為風扇盤圓弧榫槽結構示意圖和風扇盤圓弧榫槽徑向剖視圖。風扇盤零件直徑為569mm，尺寸較大，榫槽數量多，為大轉接圓弧R轉接的深型腔結構（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，結構復雜，榫槽尺寸又深又寬且技術條件嚴格，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，所有未注回轉直徑跳動不大于0.05mm。要全部保證尺寸精度要求及技術條件難度很大。

3風扇盤加工工藝

3.1風扇盤主要加工工藝路線

風扇盤的主要加工工藝路線為鍛件→細車大端→細車小端→去應力→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→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→靜平衡→標印→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，使用大轉接圓弧R轉接，用數控車床加工，采用不同的車刀，從不同的進刀方向使其轉接圓滑，且2處大轉接圓弧R轉接不允許接刀，以保證零件型腔轉接圓滑[3]。針對雙腹板，也采用一次裝夾分工步進行加工，中刀精車底部、左刀粗車左側壁、右刀粗車右側壁、左刀精車左側壁、右刀精車右側壁共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控銑設備加工該零件。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檢測及結果

該鈦合金風扇盤的雙輻板車削，由于輻板深、位置封閉，內部尺寸及大轉接圓弧R根本無法檢測，只有準確將徑向、軸向基準的對刀面找正，在機床上找一個基準尺寸去對應測量，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個截面踩點檢測，通過數據處理對被測截面的形狀、信息和理論榫槽模型進行比對，并出具比較直觀的數據報告來獲得榫槽截面形狀輪廓度結果，再配以型面樣板通止端及轉接器、平塞規等進行檢測。在對鈦合金風扇盤進行加工的過程中，關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）、加工參數的合理選擇及熱處理工序的安排等方面綜合考慮，從而優化加工工藝。圓弧榫槽型在廠內屬首次加工，根據零件結構，設計、制造專用夾具，選取合理的成型刀具加工。在機床上先用同樣尺寸的先鋒盤試加工，驗證夾具能否裝夾、是否與機床行程干涉，然后按編制好的數控程序加工，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，通過三坐標采點檢測后生成數據，通過數據處理得到實際加工實體，再與理論模型比對的方法，確認刀具的安全準確，并得出實測結論后，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量。

4結論

在對鈦合金風扇盤進行加工的過程中，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，零件結構敞開性差，刀具磨損嚴重，表面質量差等問題，關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），對加工參數的合理選擇及熱處理工序的安排等各方面進行綜合考慮，從而優化加工工藝。通過對鈦合金風扇盤的試制加工，我們已經逐步積累了一些加工經驗和零件的加工難點，為以后小批量的零件生產奠定了一定的基礎。

參考文獻

[1]陳明和，吳心晨，謝蘭生，等.復雜結構的鈦合金寬弦空心風扇葉片的雙層制造工藝及其毛坯優化設計[J].稀有金屬材料與工程，2019，48（6）：1717-1724.

[2]趙正彩.鈦合金空心風扇葉片前后緣自適應數控加工研究[D].江蘇：南京航空航天大學，2017.

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

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

作者：王開封 喬雷 徐艷 黃晨 單位：中國航發航空科技股份有限公司