风扇轮盘圆弧榫槽加工研究

李 季吴宏春赵鹏飞文宝林曾维慷（.驻0厂军事代表室，黑龙江 哈尔滨 50066；.驻黎明公司军事代表室，辽宁 沈阳 004；.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 004）



风扇轮盘圆弧榫槽加工研究

李 季1吴宏春2赵鹏飞3文宝林3曾维慷3
（1.驻120厂军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150066；2.驻黎明公司军事代表室，辽宁 沈阳 110043；3.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

摘 要：发动机风扇轮盘是低压压气机转子部分关键的核心转动零件，材料为TC4，切削加工性能低。该零件内部型面由两级腹板与前后安装边形成三个封闭的型腔，外部由多个燕尾结构的轴向圆弧形结构的榫槽组成，零件结构紧凑，轮廓尺寸较小，型面复杂，技术条件严格，由整体锻件加工而成加工的难度非常大。本文着重介绍了某机风扇轮盘零件在加工中心上加工圆弧榫槽的加工过程，对圆弧榫槽加工的难点、注意事项、加工方法及技巧进行论述，解决加工难题的措施，成功实现零件的制造与交付。

关键词：风扇轮盘；加工中心；圆弧榫槽；数控程序；成型刀具

一、前言

某型发动机风扇轮盘是发动机低压压气机转子部分的关键零件，工作环境较为恶劣；零件选用材料为TC4，切削加工性能低。该零件轮廓尺寸较小，最大外圆直径为ф398mm，零件高度为227mm，零件结构紧凑，型面复杂，技术条件严格。毛料为模锻件，经退火处理、粗加工后交付，内腔型面由两级腹板与前后安装边形成三个封闭的型腔，盘心直径较小余量较大，外部为轴向圆弧形燕尾榫槽，由于与轮盘连接的叶片叶形尺寸较大，为了提高叶片榫头连接强度，榫槽结构设计成燕尾结构圆弧形榫槽，拉削方法无法进行加工，必须需要通过铣加工完成，槽型的精度要求非常高，定位面的轮廓公差仅为0.02mm，加工的难度非常大。

二、零件工艺图纸分析

1 零件材料特点分析

风扇轮盘采用TC4钛合金材料，零件硬度为HB（d）≥3.3mm，发动机在10000转/分钟以上，工作温度较高，工作强度和硬度较好，但这种材料切削加工时，其切削加工性较低，刀具磨损情况较为严重。

2 零件图纸分析

风扇轮盘为发动机中的关键旋转部件，零件的尺寸较小，结构紧凑，圆弧形燕尾榫槽为新型结构，加工的精度要求较高，基本在几道之内，表面跳动要求在0.02mm～0.05mm，位置度要求在ф0.10mm以内，零件的加工难度较大。

2.1尺寸精度

风扇轮盘圆弧形榫槽为燕尾形结构，榫槽厚度为138±0.05mm，榫槽工作面Q点距中心尺寸为U161，属于零件重要的特性配合尺寸，榫槽弧度为R219mm。

2.2技术条件

风扇轮盘圆弧榫槽轮廓公差要求非常严，工作面要求为0.02，其它表面为0.1，弧形榫槽位置度为Φ0.1，表面粗超度为0.8。

2.3零件类型

风扇轮盘是发动机低压压气机中的关键旋转承力部件，工作时转速最高达到10000转/分钟以上。零件为整体锻件加工而成，其结构、形状复杂，空间狭小，尺寸较多，加工的精度较高，材料为TC4的钛合金，零件硬度值为HB（d）≥3.3mm。

2.4加工难点分析

圆弧形榫槽轴向厚度138mm，榫槽深度近40mm，余量较大，槽形深，榫槽公差要求严，表面粗糙度高，加工时切削力大，必需由机床及刀具保证，对设备、刀具的精度与刚性要求高，加工的难度非常大。

图1　圆弧形榫槽图形

图2　燕尾型榫槽成型铣刀刀具结构图

图3　榫槽外部成型铣刀刀具结构图

零件材料为钛合金，材料的硬度与强度较高，加工时切削负荷较大，零件加工时易出现串动及表面加工硬化现象，刀具磨损剧烈，刀具寿命明显下降，保证零件的加工精度较为困难。

2.5解决加工难点的工艺措施

根据零件圆弧榫槽的结构特点与形状，专门设计非标成型铣刀，刀具柄部直径为20mm～30mm，增加刀具的强度，成型铣刀的轮廓公差要求较严，加工前投影检查刀具形状，提高铣加工的精度。

零件材料加工时切削热高、易黏刀，刀具磨损严重，通过试验、优化切削参数，切削时大量浇注冷却液，带走切削热量，减少冷作硬化情况，提高刀具的切削寿命，保证零件的加工精度与表面质量。

零件在加工时，采用止口及销钉定位方式，保证零件装夹稳固，避免零件因切削力大所造成的位移现象，提高零件制造质量。

三、圆弧榫槽刀具设计

两级腹板轮盘零件32个圆弧榫槽，内部为燕尾形结构，是叶片安装到榫槽时的主要配合表面，图纸要求的轮廓公差较严。榫槽铣加工时，型面无法通过刀具轨迹补偿获得，所以需要使用成型铣刀进行加工，根据零件的结构特点，规划设计3种刀具来完成榫槽加工，首先使用标准的立铣刀进行粗开槽，内侧型面用燕尾型成型铣刀加工（如图2），外部型面用锥形成型铣刀（如图3）加工出侧面，转接圆弧靠刀具底部圆R保证，两种非标准的成型铣刀轮廓精度要求在0.01mm以下，以满足榫槽轮廓公差的需求。

四、零件加工工步安排

根据零件图纸的要求，结合生产现场的设备、工装、刀具的状况，经过分析、研究，确定精铣圆弧榫槽工序，在高精度的卧式四坐标加工中心上进行。

1 零件装夹

风扇轮盘铣加工圆弧榫槽，加工中心需要在卧式状态下进行，主轴到工作台面距离必须大于150mm，设备才能正常运行，而且由于零件为实体状态，余量较大，切削力也较大，加工时零件已发生串动，影响加工质量，所以需要制作专用的夹具进行装夹，保证加工的稳定性与高度需求。

选用一个厚度约200mm、直径约450mm的铝盘进行改制，铝盘的两端车平，并按照零件内止口的尺寸加工出定位面，将铝盘装夹到加工中心上，然后按照基准孔的位置钻一个直径为Φ60+ 0.025，深度为8mm的盲孔，将Φ6mm的销子插入盲孔中，将基准孔的角向输入到工件零点地址中，铝盘中间加工4个M12的螺纹孔，拧入双头螺杆，用于零件压紧用。将基准孔与销子对正，零件安装到夹具上，找正零件基准跳动不大于0.01mm，压紧压板，零件安装后的圆周中心与机床旋转中心重合。

2 圆弧榫槽铣削加工

风扇轮盘零件圆弧榫槽，内部为燕尾形结构，是叶片安装到榫槽时的主要配合表面，设计要求的轮廓公差较严。榫槽铣加工时，型面无法通过刀具轨迹补偿获得，需要使用精确成型的成型铣刀进行加工，加工时设备主轴在卧式状态下，刀具的对刀点选在零件回转中心上，轴向Y方向零点选择在零件中前部安装边上，分粗开槽、铣加工榫槽内侧型面、铣加工榫槽外侧型面3个工步进行加工。

首先使用标准的Φ12mm的立铣刀逐层进行粗开槽，按照刀心轨迹编制数控程序，将榫槽中部的大部分余量去除，榫槽最窄处留有0.5mm的余量，加工时进给速度为10mm/min，主轴转速为150r/min，刀具每运行一个榫槽后远离工件，工作台旋转到下一个榫槽位置，按照前一个刀具轨迹再进行加工，直到将所有榫槽的余量都去除后，结束粗开槽的工步。

其次用燕尾型成型铣刀加工榫槽底部内侧型面，加工前投影检查刀具的轮廓精度，并目视检查切削刃的是否锋利，按照轮廓编程方式分4刀，由内向外逐步加工，最后一刀精加工时单边留有0.5mm余量，更换一把新的刀具，以保证刀具的轮廓精度高于零件要求，对刀后将刀补上到尺寸，沿零件的上下方向精铣一圈，加工第一个槽后使用榫槽样板进行测量，如样板通端不能通过，停止程序运行，再在刀补中进行微量上刀运行程序，直至第一个榫槽样板通端能过通过，再依次加工其它的榫槽，保证燕尾形榫槽底端尺寸合格。

最后用锥形成型铣刀加工外部型面，按照轮廓编程方式进行加工，分2～3刀将型面加工至尺寸，转接圆弧靠刀具底部圆R保证。

4.3零件检测

榫槽轮廓公差及位置度等技术条件，在加工后在三坐标测量机进行扫描、拟合，与零件理论的轮廓进行比对，得出最终是否合格的结论，经过检测榫槽的尺寸及技术条件均满足了图纸的要求，零件表面圆滑转接，粗超度达到规定要求。

结论

采用卧式四坐标加工中心，进行精铣圆弧榫槽加工，加工设备可以满足零件要求，加工刀具选择结构合理，制造精度较高，有效地控制了尺寸精度和技术要求，加工步骤安排可行，走刀路线与数控程序经运行正确、合理，所加工的零件尺寸与技术条件能够满足工艺图纸要求，并保证了零件表面质量的要求，加工方案在风扇轮盘加工中得到了良好的应用，为公司新机研制积累了宝贵经验。

参考文献

[1]臧笑宇，闫龙，史韵琦.圆弧型榫槽风扇轮盘加工及检测技术研究[J].中国新技术新产品，2012（17）：135-135.

中图分类号：V231

文献标识码：A