盘类零件榫槽边缘自动倒圆和抛光技术

盘类零件榫槽边缘自动倒圆和抛光技术

张富余 姚诚 胡开菊

中国航发航空科技股份有限公司 四川成都 610500

摘要：涡轮转子、压气机盘类零件中榫槽与转子叶片相连接，榫槽数量多，配合尺寸要求严格，对盘榫槽部位尖边倒圆加工精度要求逐渐提高，传统手工加工零件会产生划痕、碰伤，尖边尺寸去除量不足等缺陷，易使零件产生裂纹，导致零件低周疲劳特性降低甚至出现重大质量事故，因此，迫切需要研究和应用更先进的尖边加工工艺，提高零件加工质量和生产效率。本项目主要的科技内容在于利用自动找正技术改变传统的加工模式，设计专用成型刀具进行榫槽尖边倒圆。将盘榫槽去毛刺及倒圆工步用数控加工代替手工打磨，解决盘类零件钳工工序瓶颈，节省时间和人力，提高零件的加工效率和找正精度，实现零件自动化加工。

关键词：盘榫槽；手工打磨；自动找正；尖边倒圆；成型刀具

引言

本项目来源于中国航空发动机集团的自立课题《盘类零件榫槽倒圆技术攻关》,

在完成小批量科研试制后逐渐转入批量交付，按照现有的人工榫槽倒圆速度，每个盘需要花费钳工5～8小时手工倒圆，当刀具不小心造成划痕则需要双倍时间进行返修。该传统的手工倒圆模式已经不能满足现有的产品加工量。

1. 立项背景及意义

（1）立项原因：随着某型发动机年生产台份的增加，现有的生产模式越来越暴露出诸多问题，最突出的莫过于生产能力无法满足目标需求量。盘类零件是机加厂的支柱零件，按现有的模式每月生产量远远无法达到目标，其一方面在于整体批产加工能力不足，另一方面也凸显在人员数量和人工成本这一方面。盘类零件大部分的榫槽倒圆均使用人工打磨，人均每天打磨生产量不超过两件，复杂的榫槽倒圆由于刀具干涉，工步细致繁琐使得人工抛修失误造成尺寸超差，粗糙度未达到要求等问题，目前看来盘类零件的榫槽倒圆工序正逐步成为交付的瓶颈。

（2）立项意义：使用机械加工可以解决传统手工打磨产生的加工效率低，部分区域不可达，加工不均匀，质量不稳定等问题。倒圆问题的解决可以解放大量的人工劳动力，而且质量更稳定，表面光度更好，可以很大程度的防止产生裂纹，增加盘的使用寿命，提升其安全可靠性。

2.详细技术方案

本榫槽倒圆技术是利用机械设备代替人工进行倒圆，通过自动找正技术实现榫槽自动找正，并改进刀具，调整加工参数等实现高质量高效率加工，详细技术方案如下：自动找正方法的研究利用宏程序对加工中心上的工件进行角度和位置的找正，从而省去了人工找正和精密夹具设计，此方法将对刀和找正一次完成操作方便不需要人工读取和数值计算，避免了因人为计算及手动输入数据过程中可能出现的错误，保证了产品对刀及找正的准确性可靠性和高效性，具有良好的应用前景。

3、技术难点及解决方案：

1）盘榫槽倒圆数量较多，拉削榫槽分度存在偏差，易造成加工倒圆不均匀现象；难点突破：应用自动找正系统，消除榫槽分度偏差，使加工榫槽倒圆均匀；编制数控宏程序，在加工前使用雷尼绍测头对所有的榫槽进行找正，确定每个榫槽的中心，并将所有榫槽中心的相关数据通过宏程序保存在数控机床文件中，每次加工榫槽时调用相应的中心角向数据，确保加工中心与实际无偏移。

2）榫槽倒圆加工空间空间小，刀具与榫槽存在干涉；难点突破：需要根据盘榫槽形状，增派专用成型刀具，具备机床加工榫槽倒圆条件，初始采用R0.5直角刀具，后续将刀具两端增加10度倾角，避开侧面干涉。 在以往的倒圆加工中，技术人员首先想到的是球头铣刀加工R，此方法完全可以用在榫槽倒圆加工，但由于榫槽数量较多，且倒圆粗糙度1.6要求相对较高，用球头铣刀加工相对效率较低，适用于高速切削，进刀量不能太大，加工过程中容易产生振动不满足粗糙度1.6要求，同时容易磨损，造成崩刃现象，随时导致盘榫槽形成缺陷。

通过查阅相关技术资料，技术人员选用成型R铣刀加工榫槽倒圆，但在进行试验时，发现成型R刀加工榫槽狭窄区域时刀具与零件发生干涉，通过分析榫槽尺寸结构，与刀具厂商沟通交流，决定增加刀具倾斜角度，此方法能解决刀具与榫槽侧面发生干涉，同时又不会大强度减少刀具的刚性，避免刀具在铣削过程中出现应力集中，造成崩刃，铣削效率高，能加工出色的表面粗糙度，可避免在刀具轴以近乎为零的速度切削，大幅度提高刀具的使用寿命，降低了切削力。初步评估加工时间可由3个小时缩短到20分钟，大幅度的提高了加工效率。

3）榫槽倒圆粗糙度不稳定，部分榫槽倒圆加工后粗糙度较差，部分榫槽倒圆部位出现振纹，难点突破：首先要对于为何会出现部分榫槽倒圆振纹进行分析，经过现场试验发现，出现部分振纹，粗糙度较差的榫槽位置大部分属于拉削完成后，榫槽边缘存在大量翻边毛刺或余量较多情况，针对此问题若安排钳工去毛刺，同样存在部分狭窄区域毛刺不易去除现象，效率也不高，还需要二次周转，经过创新小组讨论，首先利用球头铣刀按已编制好的数控程序轨迹，以一定的切削参数对盘榫槽边缘进行预倒圆，以保证圆角的圆滑，提高尖边倒圆的一致性，达到自动去毛刺目的，同时也避免毛刺对自动找正系统的干扰，以免数据出现异常造成宏程序报警。该加工过程与常规的加工中心加工过程一致，先把零件通过夹具安装在机床上，设备上带有自动找正装置，通过该装置对榫槽部位找正，实现零件的循环加工。

其次，铣加工后的粗糙度较低，两层切削面间存在微观凸起，为了提高零件倒圆后的粗糙度，在设备上装置两种标准端面动力刷，一种硬毛刷，另一种为软毛刷，抛光后，加工效果理想，可达到设计图要求的粗糙度。利用动力刷对铣加工后的表面进行修饰，去除铣加工后的接刀，提升圆角的表面光度。经过对加工后的表面进行观察发现榫槽倒圆一致性好，降低表面粗糙度效果明显。通过对榫槽尺寸的检查发现对高精度的榫槽拉削表面尺寸没有任何影响，不会破坏榫槽内部状态。

利用自动找正系统、成型刀具与抛光刷的工艺方法，按预先编制好的数控程序轨迹，并以一定的切削参数实现的盘榫槽倒圆铣削和自动抛光的复合加工方法，该方法倒圆一致性较好，降低表面粗糙度效果明显并大大提升了加工质量保证能力，表现出优异性能，解决多年手工抛光无法实现机械化加工的难题。

4.实施效果：

手工进行榫槽倒圆，实做工时5～8小时，应用机械加工进行数控倒圆，自动找正时间0.3小时，数控程序加工时间0.7小时。因此，手工加工不仅加工效率低，而且倒圆尺寸一致性较差，容易造成应力集中，降低零件的使用寿命；利用机械加工进行倒圆，可节省至少5倍的时间，并且倒圆尺寸一致，零件加工表面的粗糙度可提高一个等级，对提高零件表面的完整性起到了重要作用，为盘类零件榫槽边倒圆提供了借鉴。

5．创新点

（1）实现自动找正系统的应用，利用自动化找正系统代替人为手动找正；

（2）根据榫槽自身结构特点，改变成型刀具结构，实现狭窄区域成型刀具应用；

（3）开发了一种榫槽倒圆加工和保证粗糙度要求的一种方法。

6.结束语：

本项目完成后形成的科学技术成果已应用于某项目产品加工生产，质量可靠，达到了任务要求。该项目成果的应用三年为公司降低了64.4万元成本，提高了80%加工效率；达到了自动找正自动化效果，解决了生产瓶颈，保证了产品的顺利交付，可广泛应用于航空、航天、民用等领域，，还可推广到其他类似行业的生产中，有着深远的应用发展前景。

参考文献

[1]陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M] 北京：机械工艺出版社，2002.

[2]戴宝庆，陈高峰。雷尼绍探头在数控加工中的应用【J】。北京，金属加工，冷加工。2013年第15期。

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