转子外环块的机械加工技术研究

摘要：转子外环块为压气机部分的一个重要零件，该零件材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，是较复杂的薄壁机匣类零件，尺寸精度要求比较高，机械加工过程比较困难。针对转子外环块的特点，通过从加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等的考虑和研究，总结出了一套切实可行的机械加工方法，解决了大直径薄壁外环块加工难题。

关键词：航空发动机；压气机；外环块

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0027-03

在航空发动机气路封严配副中使用可磨耗封严涂层技术，可以改进发动机气路封严性能，减少气体泄漏，降低油耗，增大推力，不损伤转子，易于更换维修，显著提高发动机总体性能。封严涂层由于其生产工艺简便、封严效果好、易于返修和调整，是气路封严的关键技术之一。

转子外环块（以下简称外环块）是发动机压气机部分的重要零件，它装配于压气机机匣内腔，与转子叶片配副起封严作用，高速旋转的转子叶片像砂轮一样磨削与其对应的转子外环块上的封严涂层来达到气路封严的目的。

外环块是机匣类零件，薄壁、直径大、尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低，加工难度比较大。针对转子外环块的特点，本文从加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等方面对外环块加工技术进行了摸索研究。

1 外环块工艺特性分析

1.1 外环块结构特性

图1 外环块剖面

外环块为锥形薄壁扇形件，直径大――最大直径Φ500多，厚度薄――壁厚最薄1.3mm，宽度窄――轴向长度不到30mm，其主要有以下几种结构特征：起安装固定作用的两处宽1.70-0.02mm凸台、内壁深10+0.1mm的喷涂封严槽以及端面各处倒角等，各处型面粗糙度不大于Ra1.6μm，大端止口端面与端面平行度不大于0.02mm，大端止口内孔与小端止口内孔半径差为1.350+0.03，具有较高的尺寸精度和形状位置要求，其中基准处直径要求在机床上检测的公差在ΦM0-0.02mm范围内。

1.2 外环块材料特性

0Cr17Ni4Cu4Nb是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，具有较高的强度、耐腐蚀、抗氧化和可焊性，尤其是抗腐蚀疲劳性能及抗水滴冲蚀能力优于质量分数为12%Cr钢，具有良好的综合力学性能。多用于制造既要求有不锈性及耐弱酸、碱、盐腐蚀又要求高强度的部件。适用于制造400℃以下工作的高强度耐蚀零件，例如飞机、导弹的重要螺栓、销等紧固件、配件、蒙皮、发动机零件（叶片），发动机涡轮机匣的前后安装边和阀门部件、弹簧、刃具等，以及发动机反推装置精铸件、火电机组用汽轮机叶片等。

450℃～500℃时时效强度达最高值，550℃时左右时效强韧性配合最好。要求更高韧性、塑性及耐蚀性能，可于≥580℃进行时效，已达到冷作硬化的目的。

材料塑性、韧性大，易产生积屑瘤，还会出现被加工表面的撕扯现象，使表面粗糙度差。

1.3 外环块加工难点

外环块是机匣类零件，直径大、壁薄、型面尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低，加工难度比较大。主要有以下难点：（1）零件直径大、壁薄，加工过程中极易因机加应力产生形变；（2）零件型面尺寸、形状精度要求较高，加工比较困难。

2 外环块加工技术研究

针对转子外环块的加工特性和加工难点，在工艺编制和机械加工过程中必须采取相应的措施，以控制和减少各种外界因素对加工过程产生的影响，主要从以下几个方面考虑和处理：加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等。

2.1 加工工艺路线的安排

按照加工性质和作用的不同，工艺过程一般可划分为如下加工阶段：粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和光整加工阶段。机械加工顺序的安排按照“先基面后其他、先主后次、先粗后精”的原则。

热处理工序中固溶处理属于毛坯预备性热处理，应安排在机械加工之前进行；淬火+回火处理属于改善零件组织结构和加工性能并达到零件最终要求的硬度，安排在粗加工后进行；对于尺寸较大、结构复杂、精度要求高的零件要求进行稳定热处理，消除零件残余应力，并且一般安排在半精加工后精加工前。

零件壁非常薄，机加过程中的内应力集中易引起形变，严重时导致零件报废。为了减少精加工去除量，消除机加应力，在机加过程中应安排一次到两次半精加工工序，并且相应安排一次到两次稳定热处理。

特种检验如水浸超声波探伤多用于工件材料内部质量的检验，一般安排在工艺过程的开始；荧光检验主要用于表面质量的检验，通常安排在精加工阶段。

热喷涂是一种利用某种热源将涂层材料加热、熔融或软化，并以高速气流将其雾化，使喷涂材料的溶滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面上，形成涂层的表面改性技术，通常安排在精加工阶段之后。

确定外环块的主要机加工艺路线如下：

锻件（固溶状态提供）粗车（去除余量，为超声波检查做准备）超声波（检查材料内部质量）热处理（达到零件最终要求硬度）立车（平基准）细车（去除余量）稳定热处理（消除机加内应力）立车（平基准）半精车（去除余量，为精加工做准备）稳定热处理（消除机加内应力）立车（平基准）数控精车（精加工内外壁型面，去除工艺安装边）线切割（切分成瓣）钳工（修挫倒角）荧光检查喷涂终检。

2.2 定位基准的选择

定位基准的合理选择不仅影响整个加工工艺的安排和夹具结构的设计，而且直接影响着机械加工的质量与稳定性。

精定位基准的选择应主要遵循以下原则：（1）便于装夹和易于获得所需的加工精度；（2）精度高，装夹稳定可靠，定位面较大。

在工艺安排中，在零件两端分别预留工艺安装边（大端外工艺安装边、小端内工艺安装边）作为零件加工基准，保证能够加工到零件的所有表面。为了获得均匀的加工余量和较高的位置精度，采用零件两端面互为基准、反复加工的原则。

2.3 车削刀具的选取

切削刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、所要求的加工精度和表面粗糙度、生产率及经济性等。一般应尽可能采用标准刀具，必要时采用高生产率的复合刀具及其他专用刀具。

刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料应具有较高硬度、强度和韧性，又具有良好的耐磨性、抗氧化性及抗粘接性。硬质合金刀具应选用含

Ta（Nb）的钨钴类（YG）。

根据我单位实际加工单件小批加工特点，在数控卧式车床车削不锈钢材料过程中经常使用某品牌刀具，通用性能和使用效果良好。该刀具材质为KC5010，表面为高级PVD TiA1N涂层，非合金硬质基体，具有出色的抗变形性能。该材质是对大多数工件材料进行精加工和普通加工的理想之选，速度更高。在加工状态稳定的情况下，非常适合于大多数钢、不锈钢、铸铁、有色金属材料和高温合金的加工。

2.4 车削用量的选择

选择在刚性较好的CKS6180 X2000全功能数控卧式车床上进行车削加工，其最大加工直径Φ800mm。在车削过程中选取车削用量应遵循以下原则：（1）切削速度不宜过高，以减小切削温度，避免刀具急剧磨钝失效；（2）进给量不宜过大，以保证加工表面光洁，避免切削负荷太重；但也不宜过小，以免切屑刃在上次进给所形成的冷硬层内工作；（3）切削深度不宜过大，避免切削力增大，引起变形振动，也不宜过小，以避免在前道工序所留下的加工硬化层或毛坯外皮内切削。

经过工艺试验，确定在实际精加工中采用的切削用量为v=60～80m/min，ap=0.1～0.2mm，f=0.1～0.2mm/r。

2.5 工装夹具的设计

工艺装备的选择原则为：在单件小批生产中，应尽量选用通用夹具和组合夹具，在大批量生产中，应根据工序加工要求设计制造专用夹具。外环块的加工属于单件加工，因此尽量选择通用装备，但是由于零件结构的特殊性，也设计了一些专用的工装夹具。

为尽量减少和避免外环块装夹过程中产生变形，在装夹过程中不应采用卡盘直接径向夹紧零件的方式装夹，应采用垫盘支靠端面、轴向压紧的方式进行装夹。

图2 精车内孔及小端工装

设计的精车内壁及小端专用工装如图2所示，以垫盘凸台定位零件，垫盘凸台与零件大端内止口间隙配合，采用圆弧型面压板多点压紧零件大端外侧圆弧槽。这种设计结构优点非常明显：压板能够最大限度接触并压紧零件，更重要的是能够最大限度地减少零件装夹次数。特别强调的是压板应12～16处多点压紧，拧紧螺栓时应采用限力扳手，尽量避免因受拧紧力不均产生应力而导致零件形变。

在垫盘定位凸台与零件大端内止口接触处，特别要注意两处结构（如图3所示）：（1）垫盘与零件大端面接触处（序号1处）应留适当的间隙，以方便拆卸；（2）垫盘凸台与零件止口配合处（序号2处）应保持间隙0.02～0.03mm。

图3 垫盘与零件配合处

2.6 精车工序内容的安排

为了控制零件变形，采用分层交替切削法进行精车：即在精加工过程中，沿着零件表面采用小切削量逐层交替均匀去量，使零件内应力得到均匀释放。

图4 精车工步二

图5 精车工步三

合理安排精车工序加工内容非常重要，为减少装夹次数，逐层切削时均分两次装夹加工到零件全部表面，且最后一刀的精车分三个工步进行：（1）工步一：平零件小端端面，端面跳动不大于0.01mm；（2）工步二：支靠零件小端端面，压板压紧小端工艺安装边，加工出大端外圆大部、端面及大端内孔小部；（3）工步三：以垫盘凸台定位，支靠零件大端内止口端面，采用圆弧型面压板压紧零件大端外侧圆弧槽，加工出小端外圆其余及小端端面、小端内孔其余。

2.7 注意事项

由于此零件壁薄、直径大，尺寸精度和形位要求高，在车削过程中要特别注意以下四点：（1）定位基准的加工精度要好，应小于零件尺寸和形位精度的1/3；（2）精加工中，同一型面应尽量避免接刀，以免形成接刀痕；（3）刀具锋利，刀具半径要小，以减小加工形变，增加光洁度；（4）刀具切削方向应垂直于定位面，以消除机加应力，减少形变。

2.8 实际加工中出现问题

在半精车稳定热处理后零件出现了变形，翘曲量较大，单边达到了0.5mm，若此时进行精加工势必会产生更大形变。

考虑到零件有足够余量，为了达到消除机加内应力、稳定零件尺寸的目的，另行增加了立车平基准和稳定热处理工序，并且在此次稳定热处理过程中利用工装对零件两端面进行装夹和固定，以稳定尺寸和控制变形。结果证明采取的措施非常有效。

3 结语

转子外环块是典型的大直径薄壁难加工类零件，存在变形及尺寸精度高等加工难题。在合理安排加工工艺路线前提下，选用合适的切削刀具、切削用量，巧妙设计工装夹具，精心安排精车工序内容等，降低加工难度，控制和减少变形等因素的影响，保证了零件加工质量，满足了设计要求，在实践基础上总结出了一套可靠高效的大直径薄壁零件加工方法。

参考文献

[1] 干勇，田志凌，董瀚，冯涤，王新林.钢铁材料手册（下）[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 孟少农.机械加工工艺手册（第3卷）[M].北京：机械工业出版社，1992.

作者简介：张忠伟（1979―），男，辽宁庄河人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工生产

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