一种燃气涡轮轴承座电极制造技术研究

覃事鹏 谢强 邱述龙

摘要：本文介绍了一种燃气涡轮轴承座电极的制造工艺，通过对其结构和关键尺寸的深入分析与研究，从电极的焊接控制、矩形槽的加工、内外圆的磨削、电极的检测及电极的存储控制五个方面详细阐述了燃气涡轮轴承座电极的加工方法，以期为后续类似电极的加工制造提供可靠的借鉴。

Abstract： This paper introduces a manufacturing process of gas turbine bearing pedestal electrode.Through in-depth analysis and Research on its structure and key dimensions，the machining method of gas turbine pedestal electrode is described in detail from five aspects：electrode welding control，rectangular groove machining，inner and outer circle grinding，electrode detection and electrode storage control， in order to provide a reliable reference for the processing and manufacturing of similar electrodes.

关键词：燃气涡轮轴承座;电极;焊接;检验

Key words： gas turbine bearing pedestal;electrode;welding;inspection

中图分类号：U463.99                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0103-03

0  引言

燃气涡轮轴承座是航空发动机关键零部件之一，整体材料为铸造高温合金，其内部结构异常复杂，其内型腔中的异型槽加工是其制作难点之一。该异型槽的槽子宽度在2.4mm，深度达30mm，尺寸公差需控制在0.05mm以内，在轴承座中呈三处均布，三个槽子位置度要求控制在Φ0.05以内。常用的冷加工技术手段很难保证其相关尺寸合格，目前业内普遍采用电火花技术进行加工。电火花加工技术的难点其一是电火花加工参数的控制，其二是电极加工质量的控制。如何制造出合格的电极是保证燃气涡轮轴承座加工质量的前提，本文介绍一种圆环形并带有三处矩形槽的电极加工技术研究。

1  电极制造的难点分析

如图1所示，该航空发动机轴承座电极为45号钢与紫銅焊接件，其型面呈圆环形并带有三处矩形槽，电极有效工作部分壁厚最薄处仅2.1mm，而其高度达30mm，尺寸公差要求在±0.03mm以内，三处矩形槽的位置度要求控制在Φ0.05以内。在电极的生产制造过程中受焊接、加工应力等多种因素的影响极易产生形变，尺寸公差及位置度很难控制。特别是电极工作部分紫铜厚度薄、材料软，在制造、转工过程很容易造成电极变形、划伤、碰伤，且三段不完整的圆弧形轮廓测量困难等一系列问题是造成燃气涡轮轴承座电极制造难度的重点原因。

2  电极的加工过程控制

2.1 电极的加工工艺路线分析

如图2所示，该燃气涡轮轴承座电极的工作部位相较于其他部位处壁厚薄，壁厚分布不均匀，同时在壁厚相对较薄的区域开有三处相对较深呈均布形态的矩形槽，此处由45钢钢制本体与紫铜焊接而成。在加工过程中，首先应对钢体部分及紫铜部分分别进行粗车去除余量，并在钢制部分与紫铜部分两者相结合处做焊接倒角;在焊接时应充分考虑到焊接变形的影响，制作二级工具进行上下两部分定心，同时采取时效处理的方式消除焊接完成后电极内部释放的焊接应力;焊接件时效处理完成后进行精车及数控铣加工三处矩形槽，加工三处矩形槽时，要采取措施降低切削力，避免造成矩形槽槽口形变;最终在最后一道机加工序磨削时，应注意装夹方式对加工造成的影响，同时应充分考虑砂轮与紫铜之间磨削时易发生粘结，造成砂轮表面堵塞的情况。

电极的加工工艺路线主要分为以下几道工序：

粗车—热处理—焊接—人工时效—精车—数控铣—电火花—立磨—钳工—检验

其中关键工序主要集中在焊接、数控铣、电火花加工、立磨、检验、转工等6个环节。

2.2 电极的焊接变形控制

燃气涡轮轴承座电极在焊接完成后由于焊缝之间集中了大量的焊接应力，随着时间的推移，其内部的焊接应力会不断释放，电极发生形变导致加工余量不足，容易导致成批产品报废。针对电极焊接变形后无加工余量问题主要采取了以下两方面措施：

一是设计了专用焊接夹具来保证电极钢制件与紫铜部件两者同心;如图3所示，电极主要由钢体（黑色部分）与紫铜环（黄色部分）两部分组成，焊接过程中由于焊接应力的不断释放，会导致钢体部分及紫铜部分不同心，焊接完成后导致后序工序无余量加工，故设计了二级工具芯棒（绿色部分），用来确保钢体部分与紫铜部分定心后再进行焊接。同时在焊接工序进行前，应对钢体与紫铜相互接触的坡口处加工焊接倒角，确保两者之间焊接牢固。

二是为了彻底的消除焊接完成后电极内部的焊接应力，一般在焊接完成后进行时效处理。时效处理分为人工时效与自然时效两种处理方式，均是为了能够消除机械加工、热处理后与焊接后工件内部产生或者遗留的残余应力。自然时效需要在自然环境条件下随着时间的推移释放应力，周期长不适用于工厂内部的产品生产。而人工时效是一种通过人为控制的方法，通过一定的技术手段对工件进行加热或者深冷处理来消除工件内部残余的应力。由于深冷处理相对于人工加热的成本较高，在对电极进行人工时效处理时选取加热方式来进行应力释放。在电极焊接完成后，焊接夹具随被焊电极一同进入电炉中人工时效处理（如图4），时效温度控制在400℃，保温时长为4h。

2.3 矩形槽的加工控制

电极在加工其内外圆表面三处矩形槽时，一是由于铣削过程中铣削产生的切削力大，造成矩形槽开口处敞开变形;二是因为电极由本体与紫铜两部分焊接而成，本体材质为45钢，热处理后硬度为HRC35～40，相较紫铜硬度高，在铣削二者结合处时由于材质不同，刀具在铣削过程中容易出现振刀现象，对于矩形槽槽口尺寸精度影响较大。三处矩形槽主要用于避让开被加工零件非加工出，因而电极矩形槽开口尺寸必须要进行严格的尺寸控制。

根据以往加工类似零件的经验，首先通过数控铣对该矩形槽进行粗铣，单边留0.5mm的余量;其次再利用电火花机床电加工时切削力小的特点，通过制造专用电极放电将电极矩形槽尺寸加工到位，电火花加工时应将电极竖直摆放加工，即专用电极从燃气涡轮轴承座电极的径向方向加工（如图6所示），避免了从轴向方向加工时加工时间长的缺点，缩短了加工时间，提高了生产效率。

2.4 电极内外圆的磨削控制

针对电极型面内外圆在磨削过程中产生变形问题，经过分析，主要由三个方面的原因造成：一是在磨削加工过程中由于内外圆型面不是整圆，电极被加工处壁厚薄，受切削力及磨削热的影响造成磨削过程中的变形;二是受装夹方式的影响，电极易装夹变形，加工完成后发生回弹;三是砂轮在磨削过程中极易与铜屑发生粘结，磨削产生的铜屑嵌入砂轮砂粒中，堵塞砂轮，磨削效率低。经过分析采取以下三种手段：

①装卡方式采用磁盘吸紧的方式（如图7），避免三爪卡盘的装卡带来的回弹变形;

②采用的是单晶刚砂轮，因其砂粒细腻，不仅使电极磨削力减小，而且被加工出来工件表面粗糙度好;

③增加冷却液，在磨削过程中，砂轮与被加工件之间由摩擦产生的铜屑极易嵌入砂轮砂粒中，堵塞砂轮。通过添加冷却液不仅将粘在砂轮中的铜粉冲走，起到了冲洗的效果;同时降低了砂轮的温度，带走了大部分切削热量。

2.5 电极的检验

电极的内外圆上的矩形槽呈三处均布不对称结构，利用常规手段检测很难找到电极的最高点，做不到全型面检测，容易造成漏检与错检;同时由于电极内外圆之间的壁厚薄，在用卡尺测量矩形槽尺寸时，卡尺卡脚会对矩形槽两侧有一定的挤压，导致测量不准确同时相对不稳定，对操作者的水平相对较高。为提高电极的检验质量和效率，改变传统测量方式，利用三坐标扫描电极型面内外圆及槽的轮廓（如图8），将得到的型面轮廓数据与设计图纸进行比对来判定其尺寸是否合格，这样有效的杜绝了检验过程中的错检、漏检的漏洞，消除了相关质量隐患，还能提高检测效率。

2.6 电极的运输、存储过程控制

由于电极的壁厚较薄，在零件周转过程中极其容易发生磕碰，所以电极在转工过程中应轻拿轻放，放入专用的电极转工箱中（如图9所示）来进行转运;特别是三坐标检验完成后，表面应均匀涂抹防锈油，并放入木盒中实施定置管理，并贴好相应的标签。这样在转工、运输及储存过程取拿方便，而且有效避免了电极表面遭到划伤、碰撞、塌边等磨损情况发生，确保电极在运输及储存的过程中质量状态稳定。

3  结论

本文针对一种燃气涡轮轴承座电极的结构特点及其相关尺寸要求，从电极的焊接技术、矩形槽的加工技术、型面内外圆的磨削技术、电极的检测及运输存储五个方面开展制造工艺技术研究。结合生产现场的实际加工情况，详细分析和阐述了燃气涡轮轴承座电极的加工制造工艺方法及运输难点，在解决该电极制造难题的同时，有效提高了电极的生产效率。同时，也为类似零件的加工制造、检测及运输提供了借鉴方案和经验。

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