1、引言
渦輪軸的深孔加工歷來是軸類零件加工關(guān)鍵之一，由于其孔深，又是封閉式加工，排屑困難，加工難度大。本文所述空心軸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零件，也是典型的薄壁空心細(xì)長軸類零件。工作轉(zhuǎn)速在10000r/min 以上，材料為1Cr11Ni2W2MoV實(shí)心模鍛件。空心軸的小端與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接；中間部分裝有軸間軸承，其大端連接渦輪盤并與封嚴(yán)環(huán)、軸承座、襯套等多個(gè)零件構(gòu)成渦輪轉(zhuǎn)子。
目前，國內(nèi)空心長軸深孔鏜削加工普遍采用懸臂式的長徑比很大、由結(jié)構(gòu)鋼制造的刀桿進(jìn)行加工，由于其刀具系統(tǒng)自身的剛性差，在切削過程中極易產(chǎn)生讓刀變形和機(jī)械振動(dòng)，造成零件內(nèi)孔中心線偏移，軸內(nèi)外圓表面壁厚差不合格，達(dá)不到設(shè)計(jì)圖樣中規(guī)定的壁厚差0.05mm要求，不僅制約了生產(chǎn)效率的提高，也直接導(dǎo)致加工表面質(zhì)量的下降。為了解決深孔加工這一難題，經(jīng)過深入研究、廣泛調(diào)查收集信息，聯(lián)合株洲硬質(zhì)合金廠自主開發(fā)、研制整體硬質(zhì)合金刀桿，解決長期以來深孔加工刀具系統(tǒng)剛性不足，影響加工質(zhì)量的技術(shù)瓶頸。
整體硬質(zhì)合金刀桿的設(shè)計(jì)過程曾多次修改設(shè)計(jì)方案，對刀桿的結(jié)構(gòu)剖面和幾何形狀、外觀尺寸進(jìn)行了三次改進(jìn)，在刀桿和刀頭的連接方式上，也進(jìn)行了三次較大的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)，制造廠家因制造成型工藝與我們設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的連接方式不同，也進(jìn)行了相應(yīng)的工藝方案改進(jìn)，經(jīng)雙方共同努力，完成了自行研制的國內(nèi)第一件長度超過1米長的整體硬質(zhì)合金刀桿，實(shí)現(xiàn)了我們多年以來的夙愿，填補(bǔ)了我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)空白。
2、整體硬質(zhì)合金刀桿的研制及在深孔加工中的應(yīng)用
2.1整體硬質(zhì)合金刀桿的結(jié)構(gòu)與制造工藝：
刀桿結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求見圖1，刀桿制造工藝路線為：
粉末冶金---攪拌---灌注到專用的模具中成型---萬噸等靜壓壓注---烘干---半成品加工---真空燒結(jié)---粗、精加工---制成成品---檢驗(yàn)
2.2渦輪軸深孔加工方法和刀具
渦輪軸零件簡圖見圖2
2.2.1 傳統(tǒng)的深孔加工工藝方法和刀具
1）傳統(tǒng)的深孔加工成型工藝鉆孔---擴(kuò)孔---粗鉸大錐面孔---粗鉸小錐面孔---精鉸大錐面孔---鉸小錐面孔---鏜小頭尾孔
2）刀具：深孔鉆頭、深孔鏜頭、深孔鉸刀、結(jié)構(gòu)鋼材料深孔鏜桿
3）專用設(shè)備：深孔鉆床T2120傳統(tǒng)的深孔加工工藝主要存在的問題是：加工后零件的壁厚差合格率極低，常常發(fā)現(xiàn)在整個(gè)深孔型面中，小孔的內(nèi)表面（尺寸ф48.5+0.5）與大孔的內(nèi)表面（尺寸ф75+0.12）同軸度誤差較大，導(dǎo)致壁厚差超差。以往我們采取的修復(fù)方法為：常以小孔部分內(nèi)表面為基準(zhǔn)，而且小孔部分的內(nèi)孔表面（尺寸ф48.5+0.5）依據(jù)當(dāng)時(shí)的條件無法修復(fù)，僅能修復(fù)大孔（尺寸ф75+0.12），往往采用找偏大孔理論中心線使其與小孔一致后，加工大孔內(nèi)表面保證與小孔內(nèi)表面同軸度要求。然后修復(fù)內(nèi)孔基準(zhǔn)和外圓各表面，保證空心軸壁厚差要求。采用這種修復(fù)方法，修復(fù)加工過程十分復(fù)雜，隨機(jī)性較大，造成部分尺寸和技術(shù)條件不能得到有效控制。
2.2.2 應(yīng)用硬質(zhì)合金長刀桿深孔加工工藝
1）改進(jìn)后深孔加工的成型工藝
鉆孔---擴(kuò)孔--粗鉸大錐面孔--粗鉸小錐面孔---精鏜深孔型面--精鉸大錐面孔---精鉸小錐面孔---鏜小頭尾孔
2）刀具：深孔鉆頭、深孔鏜頭、深孔鉸刀、深孔鏜桿、硬質(zhì)合金長刀桿、鏜刀頭
3）專用設(shè)備：深孔鉆床T2120、深孔鏜床KDM-618
2.2.3 傳統(tǒng)的深孔加工工藝方法和采用整體硬質(zhì)合金刀桿深孔加工工藝方法的比較
1）采用整體硬質(zhì)合金刀桿進(jìn)行深孔鏜削加工，解決過去深孔加工中，空心軸內(nèi)孔尺寸Ф48.5mm依靠浮動(dòng)鏜削加工，刀桿的浮動(dòng)支撐，基準(zhǔn)自身精度達(dá)不到要求的問題。而應(yīng)用整體硬質(zhì)合金刀桿后，保證了空心軸所加工的內(nèi)孔與其它內(nèi)孔之間同軸度要求，同軸度數(shù)值可控制在0.05之內(nèi)。
2）避免了在傳統(tǒng)深孔加工過程中，依靠刀桿浮動(dòng)支撐定位，各段深孔、型面分段成型，使基準(zhǔn)定位誤差較大、造成各段內(nèi)孔中心線不重合誤差。
3）過去在粗鉸孔時(shí)，采用浮動(dòng)鉸刀在鉸削余量不均勻的情況下，刀具的浮動(dòng)刀頭往往偏向一邊切削，產(chǎn)生內(nèi)孔偏移現(xiàn)象。在精鉸時(shí)也無法修復(fù)。現(xiàn)在采用整體硬質(zhì)合金刀桿，可直接進(jìn)行深孔鏜削修復(fù)加工，避免了以往深孔加工中復(fù)雜的修復(fù)過程，提高了修復(fù)加工精度。
4）采用新工藝進(jìn)行深孔加工試驗(yàn)后，空心長軸的壁厚差均可控制在0.05mm之內(nèi)，新工藝應(yīng)用后可以簡化空心軸壁厚差的修復(fù)方式，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用后，提高了深孔加工的效率，保證深孔加工各段孔的中心線同軸，達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙中嚴(yán)格的壁厚差要求。
3 硬質(zhì)合金刀桿加工深孔的應(yīng)用實(shí)例
3.1 模擬軸的深孔加工試驗(yàn)
試驗(yàn)條件：設(shè)備：KDM-18 深孔鏜床工裝：整體硬質(zhì)合金刀桿、結(jié)構(gòu)鋼刀桿、YT15 車刀、仿型用靠模板試驗(yàn)項(xiàng)目：第一種空心模擬軸的深孔加工試驗(yàn)（見圖3），試驗(yàn)?zāi)康臋z查驗(yàn)收硬質(zhì)合金刀桿的制造質(zhì)量，完成與普通結(jié)構(gòu)鋼刀桿加工數(shù)據(jù)對比，為渦輪軸零件深孔加工積累經(jīng)驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)對比后，發(fā)現(xiàn)采用整體硬質(zhì)合金刀桿精加工的零件表面粗糙度值較低，上刀后整體硬質(zhì)合金刀桿的讓刀量、在加工中刀桿的回彈、尤其是近根部的振顫感均好于參加對比的結(jié)構(gòu)鋼刀桿。應(yīng)用試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)如表1 示
3.2 第二種空心軸的深孔加工應(yīng)用
1）應(yīng)用條件：設(shè)備：KDM-18深孔鏜床工裝：整體硬質(zhì)合金刀桿、YT15車刀、仿型用的靠模板
2）應(yīng)用項(xiàng)目：第二種空心軸見圖4，采用硬質(zhì)合金刀桿進(jìn)行加工試驗(yàn)，尋求最佳切削參數(shù)。
3）應(yīng)用結(jié)果：采用了整體硬質(zhì)合金刀桿對第二種空心軸進(jìn)行深孔加工，加工結(jié)果與第一種空心模擬軸相近，切削試驗(yàn)參數(shù)與表1 中序號(hào)為2、3、4、5、6 的參數(shù)一致，效果非常理想。
3.3 第三種空心軸的深孔加工應(yīng)用
1）應(yīng)用條件：設(shè)備：KDM-18 深孔鏜床工裝：整體硬質(zhì)合金刀桿、YG8車刀、仿型用的靠模板.
2）應(yīng)用項(xiàng)目：第三種空心軸見圖5，按試驗(yàn)工藝規(guī)程進(jìn)行深孔加工試驗(yàn)，驗(yàn)證其加工的可行性和合理性。
3）應(yīng)用結(jié)果：采用了整體硬質(zhì)合金刀桿對第三種空心軸進(jìn)行深孔加工，加工結(jié)果及切削試驗(yàn)參數(shù)與第二種空心軸一致，效果非常理想。
3.4試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)論：
采用了整體硬質(zhì)合金刀桿對第三種空心軸進(jìn)行深孔加工，應(yīng)用結(jié)果與第二種空心軸及第一種模擬軸的加工結(jié)果相近，經(jīng)過了多次的零件加工和試驗(yàn)，證明采用整體硬質(zhì)合金刀桿對空心軸進(jìn)行深孔加工，能夠保證空心長軸內(nèi)、外圓的的壁厚差在整個(gè)加工長度上控制在0.05mm 之內(nèi)。完全滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求。第三種空心軸切削參數(shù)及加工結(jié)果見表2。
4 攻關(guān)成果分析與討論
1）分析：經(jīng)過多次攻關(guān)試驗(yàn)，采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的整體硬質(zhì)合金刀桿，在三種空心長軸零件的深孔加工中得到了應(yīng)用，驗(yàn)證了采用整體硬質(zhì)合金刀桿，進(jìn)行空心長軸深孔鏜削加工的可行性和先進(jìn)性，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，硬質(zhì)合金與常規(guī)的合金結(jié)構(gòu)鋼刀桿相比，它的硬度和強(qiáng)度，尤其是剛性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合金結(jié)構(gòu)鋼。在相同刀桿直徑情況下，采用優(yōu)質(zhì)鋼制造的刀桿最大懸伸量（鏜刀桿長度與鏜刀桿直徑之比）為5:1，而采用硬質(zhì)合金制造的鏜刀桿最大懸伸量為10:1，驗(yàn)證了整體硬質(zhì)合金刀桿加工深孔的優(yōu)越性。渦輪軸零件深孔加工的壁厚差值從原來的0.08 提高到0.05。滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。
5結(jié)論
經(jīng)過多次試驗(yàn)加工和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果說明，采用整體硬質(zhì)合金刀桿進(jìn)行渦輪軸深孔加工效果，與論證報(bào)告中預(yù)期的效果基本一致，證明了應(yīng)用整體硬質(zhì)合金刀桿進(jìn)行空心軸深孔加工工藝的可行性和先進(jìn)性。新的深孔加工工藝，可以保證深孔加工后的尺寸精度、表面粗糙度及嚴(yán)格的壁厚差要求，其技術(shù)水平與指標(biāo)均可達(dá)到國外同類航空產(chǎn)品的要求。并已推廣應(yīng)用在批量生產(chǎn)中。自行設(shè)計(jì)研制的超長整體硬質(zhì)合金刀桿，可應(yīng)用到其它空心長軸類零件的深孔加工中，并可以推廣到國內(nèi)外的相關(guān)加工領(lǐng)域中。
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