基于车铣复合的低压涡轮轴加工工艺研究

李健

摘 要：低压涡轮轴是航空发动机的关键转动零件，发动机工作时，低压涡轮轴长期在交变载荷环境下工作，所以其结构复杂，材料多为高温合金、高强度钢等，具有切削性能差、加工周期长等特点。本文采用车铣复合机床来加工低压涡轮轴，与传统的低压涡轮轴加工工艺路线相比，其生产效率和加工质量明显提高，成本显著下降。

关键词：车铣复合;低压涡轮轴;加工工艺

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0053-02

Research on Processing Technology of Low Pressure Turbine

Shaft Based on Turn-milling Compound

LI Jian

（Guizhou Education University，Guiyang Guizhou 550018）

Abstract： The low-pressure turbine shaft is the key rotating part of the aero-engine. When the engine is working， the low-pressure turbine shaft works under long-term alternating load environment. Therefore， its structure is complex， and the materials are mostly high-temperature alloys， high-strength steels， etc.， which have the characteristics of poor cutting performance and long processing cycle. This paper used a turning and milling machine tool to machine the low pressure turbine shaft， Compared with the traditional low-pressure turbine shaft processing route， the production efficiency and processing quality were significantly improved， and the cost was significantly reduced.

Keywords： turning and milling composite;low pressure turbine shaft;processing technology

從发展过程来看，航空发动机的低压涡轮轴结构越来越复杂，材料越来越难加工，对机床的性能要求也越来越高[1]。随着车铣复合的应用，工序分散的单一加工逐渐被淘汰，工序集中的复合加工成为发展趋势，原来的一次装夹只能实现车或铣等，而现在的一次装夹可以实现车、铣、磨和钻等多种机械加工，所以采用车铣复合加工低压涡轮轴变得越来越重要[2，3]。

1 低压涡轮轴的特点

低压涡轮轴主要作用是安装轴承和传递扭矩，其尺寸公差和形位公差等精度要求高，结构复杂，工艺集成度高，工艺难度大，加工周期长。其主要结构有：台阶和锥形深孔、大小复杂型腔、花键齿、篦齿、轴承支点、盘轴用连接孔及多个过油孔，小头直径一般小于50mm，长度约1 200mm，长径比大（[LD]≥25），空心薄壁（壁厚约为5.5mm），壁厚差小于0.1mm，是典型的长轴薄壁类零件。

2 低压涡轮轴的传统加工工艺

受轴类零件特点和加工设备限制的影响，轴类零件的传统加工工艺为，先车再铣，然后磨。低压涡轮轴的传统加工工艺路线为：毛料图—打顶尖孔—粗车轴大头外圆—粗车轴头部及镗引导孔—钻扩孔—切试件及平轴总长—车试件—粗镗轴大头内孔—车轴外圆—超声波探伤—车轴大头外圆—热处理—车轴外圆—修复壁厚差—车轴头部及镗引导孔—镗轴尾孔—镗轴内孔—镗轴内小孔—镗内孔型面—修复基准—车轴头部—粗镗尾孔—车轴小头—车轴头部端面槽—车轴小头外圆—车轴杆部外圆—车尾部锥体—磨外圆基准—精车轴头部—镗头部内型面—镗轴头部环槽及内腔—磨小头内孔—铣头部内槽—铣长槽—铣头部端面槽—铣头部槽—滚铣轴花键—车杆部—车轴内外台阶—车小头螺纹—车锥体—铣锁紧槽—铣大头端部槽—钻中部孔—铣轴中部长孔—钳工加工—磨外圆—磨内孔—钻尾部小孔—钻斜孔—钻孔和攻丝—钳工加工—车头部内螺纹—车工艺凸台—修顶尖孔—磨内孔—磨轴承孔—抛光内孔—抛光外圆—划线—钳工加工—洗涤—磁力探伤—最终检验。

该工艺路线主要的加工难点表现在三个方面。

2.1 深孔的加工和壁厚差的保证

低压涡轮轴内孔的加工和外圆的加工分别是在深孔镗床和数控车床上完成的，但是两道工序找正基准不重合，并且内孔较深（深度921mm），很容易出现让刀、振刀现象，导致内孔加工不合格，内孔表面光度不好，致使壁厚差不容易保证，最终影响轴的动平衡。

2.2 复杂型面的加工

复杂零件需要各种专用工装。受数控机床的限制，车、铣、磨和滚齿等工序需要分开加工，即需要多次装夹，造成装夹找正基准不重合，很容易导致精度高的装配尺寸不合格，并且每加工一次，就需要检测一次，这样就大大延长了零件的加工周期。

2.3 生产周期长

在数控加工中，程序调整、工装夹具准备、刀具准备及零件检测等占用的时间较多，加工效率偏低。

3 车铣复合加工低压涡轮轴的工艺分析

车铣复合具有车、铣、磨、钻和镗等多种功能集于一身的数控机床，其加工精度和加工效率高。根据车铣复合机床的特点，低压涡轮轴的加工解决方案如下。

一是轴的粗加工工序余量大，公差尺寸也比较大，放在一般的机床上加工就很容易保证尺寸，同时为了充分利用传统工艺路线机床，轴的传统工艺路线的毛料加工及粗加工工艺路线不变。二是由于轴内孔的镗削余量比较大，耗时比较长，如放在车铣复合机床上加工，会占用大部分车铣复合机床的时间，为了充分利用传统工艺路线机床，把内孔的粗镗和半精镗削放在数控镗床上加工。

三是為了缩短轴的加工周期和提高轴的加工质量，把轴的半精加工和精加工放到车铣复合机床上加工，因为车铣复合机床精度高并且是五轴联动机床，所以复杂型面的尺寸公差更容易保证。四是为了保证轴的壁厚差，把轴的内孔精镗和轴的外圆杆部精加工放在一道工序上加工，这样就保证了装夹的基准一致，使轴的壁厚差和形位公差更容易保证。

4 车铣复合加工低压涡轮轴的工艺路线

根据车铣复合加工低压涡轮轴的解决方案，本文制定了低压涡轮轴的加工工艺路线：5毛料图—打顶尖孔—15粗车轴大头外圆—粗车轴头部及镗引导孔—钻扩孔—切试件—平轴总长—车试件—粗镗轴大头内孔—车轴外圆—超声波探伤—车轴大头外圆—热处理—车轴外圆—修复壁厚差—车轴头部及镗引导孔—镗轴尾孔—镗轴内孔—镗轴内小孔—镗内孔型面—修复基准—车轴头部—粗镗尾孔—半精车轴大头—半精车轴小头—车铣钻轴大头及杆部—精车轴小头—划线—钳工加工—洗涤—磁力探伤—最终检验。

5 车铣复合加工低压涡轮轴的优势

采用传统工艺加工低压涡轮轴需要64道工序，采用车铣复合加工低压涡轮轴需要32道工序（把低压涡轮轴半精加工和精加工的36道工序合并成4道工序在车铣复合机床上加工）。其优势表现在三个方面。

5.1 缩短了加工周期

车铣复合加工减少了32道工序，减少了检验时间（因为每加工完一道工序都需要检验），减少了装夹找正时间、各工序之间转运零件的时间和零件尺寸超差返修时间等，提高了生产效率。

5.2 提高零件加工质量

车铣复合机床精度高，并且自带检测探头，在零件装夹找正和加工过程中不断检测及修正加工参数，减少人为干预带来的误差，使得零件尺寸更容易保证。车铣复合加工减少32道工序，减少专用工装使用的数量（因为每个工装本身就有一定的误差），同时缩短加工周期，减少两道工序之间转运零件碰伤的概率，提高了零件的质量。

5.3 降低大量成本

车铣复合加工减少了很多专用的夹具和测具，减少了数控机床的数量（如数控车床、数控铣床、数控镗床、磨床和滚齿床等），同时减少了用工成本（车铣复合机床仅用1个人就可以代替数控车床、数控铣床、数控镗床、磨床和滚齿床操作工等），提高零件加工质量，减少零件返修成本和零件尺寸超差报废的成本。

6 结论

采用车铣复合加工低压涡轮轴具有明显的优势。它不仅缩短了轴的加工周期，提高生产效率，还提高了零件的加工质量，节约了大量成本。该研究为使用车铣复合加工其他长轴类零件提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1]秦琴，毛子荐，刘昭凡.高温合金在航空发动机领域的应用现状与发展[J].工具技术，2017（9）：3-6.

[2]张晶，韩彬，金英卓.车铣复合加工在航空发动机精密零件中的应用[J].中国新技术新产品，2019（15）：50-51.

[3]陈征，刘峻宇，张月.车铣复合技术在航空零件制造中的应用研究[J].中国新技术新产品，2019（7）：48-49.