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高精密複雜斜軸承孔加工工藝（yì）研究

2020-10-11 來（lái）源：中國航發南方工業有限公司作者：何（hé）晉，劉博逵，李鈺，胡（hú）誌星

摘要：分析（xī）了一種複雜鈦合金機匣精密斜軸承孔的加工難點，確定了大長徑比刀具一次裝夾加工（gōng）的方案，並從切削策略、參數優化以及采用高精（jīng）度減振鏜刀、重金屬刀杆銑（xǐ）刀等減振刀具加工兩方（fāng）麵進行工藝試驗探究，進一步減小切削振（zhèn）顫，提高軸承孔的加工質量。

關鍵詞：精密；斜軸承孔；減振鏜刀；重金屬刀（dāo）杆；切削振顫

0 引言

某（mǒu）複雜鈦合金機匣是一種新型航空發動機上的重要（yào）承力部件。機匣內腔複雜大支板兩端的精密斜軸承孔，主要功能是安裝軸承，支撐錐齒輪軸組件旋轉傳遞扭矩，是該零件精度最高（gāo）、加工難度最大的部位，它的（de）加工精度高低直接關係到整台航（háng）空（kōng）發動機的質量。

該機匣為大型整體鑄（zhù）造鈦合金機匣（圖 1），具有尺寸大，壁薄易變形，結構複雜等特點。零件材料為鑄造鈦（tài）合金 ZTC4，具有較優良的高溫強度和硬度，是典型的（de）難加工材料，主要（yào）表現為：加工時刀、屑接觸麵積小、應力大，溫度高，刀具粘結磨（mó）損、擴散磨損嚴重[1]。兩處精密斜軸承孔尺寸精度、形位要求及表麵質量要求極高（gāo），直徑公差 0.015，圓柱（zhù）度 0.005，同軸度 0.01，垂直度 0.01，表麵粗糙度 Ra0.4 ～ 0.8（圖2）。為了保證軸承孔加工質量，必須滿足以下加工（gōng）條件：零件裝夾剛度好，機床定位精度高，刀具切削剛（gāng）性（xìng）好，最好能夠采用磨削或（huò）精密高速車削加工。但兩

處軸承孔處於複雜狹窄異型支（zhī）板腔內，軸線與基準平麵成 18°夾角（圖（tú） 2），受零件結構限製（zhì），無法進行磨削（xuē）和車削，軸（zhóu）承孔加工精度不易保證。本文針對該機匣精密斜軸承孔複雜的結構形式，分析製定了角度頭五軸加工、大長徑比刀具一次裝夾加工的方案開展試驗研究，係統性（xìng）的闡（chǎn）述了一種（zhǒng）複雜精密斜軸承孔的加工方法。

1.30# 軸（zhóu）承孔 2.30# 軸承孔內端麵 3.29# 軸（zhóu）承孔 4.29# 軸承孔（kǒng）內端麵

圖 1 某鈦（tài）合金機匣

1 、確定加工方案

通常（cháng）航空發動機機匣上的軸承孔（kǒng）平行或垂直於機匣安裝（zhuāng）麵，結構較為簡單，不存在刀具（jù）柄（bǐng）部幹涉問題，可采（cǎi）用精（jīng）密臥式或立式（shì）加工中心加工（gōng），工件係統（tǒng）具（jù）有良好的切削剛性。而本文所述（shù）的機匣精密斜軸承孔為一種新型的（de）軸承（chéng）孔結構形式，軸線與基準平麵成 18°夾角並處於複雜狹窄異型支板腔內，不適宜采用一（yī）般的軸承孔加工方法，需進一步分析研究加工方（fāng）案。

兩處斜軸承孔（kǒng）分別與某錐齒輪軸兩端的 29# 軸承外環、30# 軸承（chéng）外環配合，其中 29# 軸（zhóu）承孔（圖 2）可采用一般（bān）五軸加工中心加工，刀具懸伸（shēn）長度較短，具有較好的加工剛性，加工難度較低。30# 軸承孔軸（zhóu）線與機匣端麵最小間（jiān）距為（wéi） 21.5 mm（圖 2），若采用一般五軸機床加（jiā）工，刀杆直徑（jìng）應小於（yú） Φ40 mm 以避開端麵幹涉，同時懸（xuán）伸長度接近 310 mm，刀杆長（zhǎng）徑比大於 7mm，加工（gōng）振動大，同類長徑（jìng）比鏜刀主要用於加工鋁鎂零件。綜合考慮精密軸承孔加工的（de）經濟性和（hé）可行性，結合生產實際，擬定了角度頭五（wǔ）軸加工和大長徑比（bǐ）刀具五軸一次裝夾加工兩種方案分別進行試驗研究。

圖 2 機匣精密斜軸承孔示意圖

1.1 角度頭五軸（zhóu）加工（gōng）

角度頭是數（shù）控加工（gōng）中（zhōng）連接數控機床主軸和刀具的一種特殊刀柄，可以實現複雜結構件的一次性裝夾多工序（xù）加工[2，3]。數控機床安裝角度頭後（hòu）刀具旋轉中心（xīn）線與主軸中心線成角度加工工件，可以實現機床（chuáng）的立臥轉換和任意角度的變換，增大機床的加工範圍（wéi）和適應性[4，5]。30# 軸承孔處於機匣狹窄內腔，首先考慮采用配（pèi）置角（jiǎo）度（dù）頭的五軸（zhóu）加工中心加工（如（rú）圖3），它的優勢在於可以有效避讓機匣狹窄內腔的結構幹涉，不用定製價格高昂的加長刀具，降（jiàng）低了加工成本，且加工時刀具懸長較短，理論上應具有（yǒu）良好的加工剛性（xìng）。

圖（tú） 3 角度頭加（jiā）工示意圖

但是（shì）經過試（shì）驗分析，發現采用角度頭加工存在以下問題：

（1）由於機匣內腔狹（xiá）窄，且有多（duō）處凸台幹涉，隻能選取較小（xiǎo）規格的角度頭加工，但小型（xíng）角度頭剛性較差，容（róng）易振刀，不適宜加工（gōng）精密孔。

（2）角度頭加工精（jīng）度不是很高，除了考慮零件裝夾找正（zhèng）誤差、機床工作台或（huò）主軸重複定位誤差等因素，還需要（yào）考慮角（jiǎo）度頭的定位誤差，多重誤差累積，導致加工精度下降。

（3）該角度頭一般安裝在立式五軸加工中心上，采用角度頭加工完 30# 軸（zhóu）承孔後，一般的五軸加工中心不能實現在一次裝夾的情況下完成 29# 軸承孔的加工，必須掉頭重新裝（zhuāng）夾或更（gèng）換加工（gōng）設備，重複裝夾找正誤差大，不利於保證兩（liǎng）軸（zhóu）承孔的同軸度要求。

1.2 大長徑比刀具五軸一次裝夾加工

1.2.1 加工前準備

為了實現 29# 軸承孔、30# 軸承孔一次裝夾加工，必須選（xuǎn）用各坐（zuò）標軸（X、Y、Z、A 軸（zhóu））行程足夠大的精密臥式五軸加工中心（xīn）。專用夾具應墊高確保加工29# 軸承孔（kǒng）時機（jī）床刀座不觸碰工作（zuò）台。並且為了（le）最大程度提高零件（jiàn）裝夾係統剛性，減小切削振（zhèn）顫，對（duì）機匣環腔進行了灌蠟處理。另外，由（yóu）於加工軸承孔時（shí）刀（dāo）具（jù）避（bì）開幹涉後懸伸長（zhǎng）度較大，銑（xǐ）削加工徑（jìng）向切削力大，加工振刀嚴重，采用（yòng）鏜削加工會更有利於保證軸（zhóu）承孔的位置（zhì）精度（dù）。經過招標（biāo）比質比價，選用了一款長徑比較大的進口標準（zhǔn）鏜刀（圖 4）進行一次裝（zhuāng）夾鏜削加（jiā）工試驗。

圖 4 進口標準鏜（táng）刀

1.2.2 加工步驟

（1）粗鏜去餘量（liàng）：首先（xiān）采用雙刃鏜削刀具粗加工軸承孔。雙刃鏜刀剛性較好，雙刃切削金屬去除率較高，在大長徑比（bǐ）刀（dāo）具的大餘量切削加工中，雙刃鏜刀切削穩定性（xìng）和效率明顯優於（yú）單刃鏜刀，粗加工後孔壁（bì）與內端麵（miàn）單邊留餘量約 0.1 mm 用於精加工。

（2）精加（jiā）工軸承孔內端麵（miàn）：軸承孔內端麵為（wéi）精密（mì）配合麵（miàn），精度要求很高，內端麵與孔垂直度要求0.01，表麵粗糙度 Ra0.8（圖 2）。精加工時若采用鏜刀一次加工軸承孔孔壁與內端麵，由於鏜刀片角（jiǎo）度一般略小（xiǎo）於 90°，不能滿足端麵垂直度要求，同時該端麵徑向寬度約 4 mm，加工時刀具切削刃接觸麵大，易振動，即使製造 90°非（fēi）標（biāo）鏜刀片（piàn）也無法保證加工精度。由此采用加長三麵刃銑刀（dāo）銑削軸承孔內端麵，采用該（gāi）方案加工，內端麵與（yǔ）孔垂直度 0.01 基本可以滿足（zú）要求，但 30# 軸承孔內端麵上存在輕微（wēi）振紋，表麵質量略有不足。

（3）精鏜軸承孔：采用加長單刃（rèn）精（jīng）鏜刀（dāo）精加工軸承孔（圖（tú） 4）。單刃（rèn）鏜刀（dāo）僅一個切削刃（rèn）繞（rào）中心旋轉（zhuǎn）切削，切削刃與零件所有觸點處於至中心等距的旋轉圓周（zhōu）上，加工一致性好，有利於提高軸承孔尺寸精度和形位精度，而雙刃鏜刀兩刃高度存在細（xì）微差異，在進行小切深的精（jīng）密加工時切削（xuē）穩定性（xìng）不如單刃鏜刀。通過調試優化加工參數，基本可以保證軸承孔直徑（jìng）尺寸及（jí）其同軸度、輪廓度要求，但 30# 軸承孔孔壁表麵存在輕微振紋，表麵（miàn）質量略有不足。另外，兩處（chù）軸承孔由（yóu）於結構限製，加工（gōng）時所采用的鏜刀、三麵刃型（xíng）銑（xǐ）刀在（zài）進刀和退刀時，均須抬刀繞行（háng）或主軸定向進刀以避開幹涉。

1.3 方案對比

通過對以上（shàng）兩種（zhǒng）加工方案進行分析對比，發現采用（yòng）配（pèi）置角度頭的設備加（jiā）工，雖然刀具成本較低，但是（shì）角度頭加工精度不足，剛性差，加工振動大，軸承（chéng）孔的同軸度、輪廓度等各（gè）項技術要求均無法滿足，受（shòu）限於角度頭的結構特點，該方案能改進優化的（de）空間很小。而大長徑比刀具五軸一次裝夾加工的方案基本可以滿足（zú）軸承孔各項（xiàng）技術要求，可（kě）行性很高。但是此方案仍有不足（zú），必須進行一（yī）係列（liè）工藝試驗，解決加工振顫的不良因素，進一步提高軸承孔加工（gōng）質量。

2 、軸承孔五軸加工工藝優化試驗探究

軸（zhóu）承孔五（wǔ）軸加工工藝優化試驗主（zhǔ）要從切削策略、參（cān）數（shù）優化（huà）及減振（zhèn）刀具加工兩方麵進行了分析研究，旨在解決加工振顫，提高軸（zhóu）承孔加工質量。其（qí）中，29# 軸承孔加工時刀具懸伸長（zhǎng）度不大，采用上述方案（àn）即可（kě）保證相（xiàng）應技術要求，後文僅針對 30# 軸承孔進（jìn）行工藝優化試驗研究。

2.1 切削策略、參數優化

2.1.1 軸承孔內端麵銑削策（cè）略、參數優化

采用加長三麵刃銑刀精（jīng）加工軸承孔內端麵時，對切削策略和參數進行了優化：

（1）采用小切深銑削法，盡量（liàng）降低切削力，避免切（qiē）削振動，粗加工後端麵餘量僅預留 0.1 mm 進行精銑。

（2）選用（yòng）三角（jiǎo）形刀片加工，三角形刀片僅刃尖進行切削，刃尖非常（cháng）鋒（fēng）利，切削力小。

（3）刀（dāo）具銑削軌跡外形直徑（jìng）應略小（xiǎo）於孔壁直徑，刀刃不觸碰孔壁，以免端麵與孔壁同時切削使切削抗力增大產生（shēng）振刀，影響加（jiā）工精度。

（4）直徑方向不能進行分層銑削，防止出現接刀紋影響表麵質（zhì）量。

由於軸承孔內端麵銑削（xuē）主要產生徑向切削力，普通加長銑刀剛性較差，優化切削策略後加工表麵依然有輕微振紋，調試切削參數加工後表麵質量雖有一（yī）定改善，但仍無法完全解決（jué）這個問題。

2.1.2 軸承孔精鏜（táng）參數優化

在精（jīng）鏜 30# 軸承（chéng）孔時，采用加（jiā）長（zhǎng）標（biāo）準精鏜（táng）刀，刀具長（zhǎng）徑比大，加工振動較（jiào）大，孔壁表麵存在輕微振紋，通過對刀具轉速、進給、切深等切削參數進行了一係（xì）列的試驗優化（見表 1），軸（zhóu）承孔加工質量取（qǔ）得了顯著改善。

表 1 30# 軸承孔精加工（gōng）切削參數調（diào）試記錄表

由（yóu）表 1 可以看出，隻有采用（yòng）低轉速、低進給，才能（néng）減少或消除加工表麵的振（zhèn）刀紋，提高（gāo）軸承（chéng）孔（kǒng）表麵質量；切深對表麵質量影響不太大，切深較小時，表麵質量稍好。其中，轉速是對（duì）加工振動影響最大（dà）的因素，轉速越高，刀具徑向切削力（lì）越大，加工振動越大。通過對比試驗效果，最終選定切削參數為：轉速 25r/min，進給 0.4 mm/min，切深（shēn） 0.05 mm，軸（zhóu）承孔表麵加工質量基（jī）本滿足設計圖要求。

同時試驗發現，當進給太（tài）小時，軸承孔垂直度、圓柱度等（děng）技術要求不穩定。分析（xī）認為（wéi），當轉速一定時，隨著刀具進給增大，單位時間內（nèi）刀具軸向切削深度相應增大，主軸軸向切削力增大，製約刀具（jù）徑向擺動的摩擦阻力增加，刀具切削振顫幅度反而減小（xiǎo），軸承孔形位精度提高。

通（tōng）過調（diào）試優化加工參數，軸承孔內端麵仍（réng）存在輕微振紋，孔壁表麵質（zhì）量（liàng）基本達到設計要求，但（dàn）軸承孔圓柱度、垂直度等要（yào）求不穩定。因此，需要進（jìn）一步試驗，采取措施提（tí）升刀具剛度（dù），減小切削振顫，保證軸承孔所有（yǒu）技術要求和表麵質（zhì）量。

2.2 減振刀具加工

2.2.1 重金屬（shǔ）合金轉接杆銑刀精銑軸承孔內（nèi）端麵

加工 30# 軸承孔內端麵（miàn）時，刀具長徑比（bǐ）大，銑刀若安裝一般轉（zhuǎn）接杆（gǎn），加工時振刀嚴重，即使對切削策略和參數進行了試驗優化，也無法完全（quán）消除切削振顫，因此選用了一種重金屬合金轉接杆的三麵刃（rèn）銑刀進行加工，該刀具剛性（xìng）更強，切削振顫小，有效避免了切（qiē）削振紋的產生，即使在（zài）進行（háng）大懸伸加工（gōng）時，也可以保證加工的穩（wěn）定性，零件表麵質量（liàng）較好，垂直度要求合格。見圖 5。

圖 5 重合金轉接杆三麵（miàn）刃銑刀

2.2.2 高精度減振鏜刀加（jiā）工軸承孔

通過試（shì）驗分析，采用大長徑比刀具五（wǔ）軸一次（cì）裝夾鏜（táng）削加工兩軸承孔的方案具有較高可行性。但（dàn）目前采用一般鏜刀精加工軸（zhóu）承孔，切削參數在經過大量調試優化後，軸承（chéng）孔的表麵質量、圓柱度、垂（chuí）直度仍不能同時達到最（zuì）理想的要求。由於在深孔（kǒng）和高速（sù）的加工過程中，鏜（táng）杆簡化為細長（zhǎng）懸臂梁結構，特別是大長徑（jìng）比鏜杆，因為鏜杆（gǎn）的懸伸過長引起剛度不足，使鏜杆容易產生振動，影響加工精度（dù）[6]。通常情況下，鏜削過程（chéng）中的一般鏜杆，在（zài）長徑比（L/D）大於 4 時，比較容易產（chǎn）生（shēng）振動，這是由於鏜杆剛度不夠導致的（de），並且長徑比越大，振動幅度愈大，當鏜杆長徑比為 10時（shí），機械加工過程中所產生的變（biàn）形量，是（shì）長（zhǎng）徑比達到4 時的 16 倍[7]。加工 30# 精密軸承孔（kǒng）的鏜（táng）杆長徑比約為 7，同時（shí）鈦合金材料具有（yǒu）較優良的高溫強度（dù）和硬度，是典（diǎn）型的難加工材料（liào），切削性能差，切削（xuē）抗力大，進一步加劇（jù）了鏜削過程（chéng）中的刀具（jù）振動，零件形位要求和表麵質量難以保證。因此必（bì）須考慮使用具有減振功（gōng）能的刀具，通過引進多家國外（wài）刀（dāo）具品牌的（de）減振鏜刀技術方案，經過對比分析，選用（yòng）了山特維克一（yī）款（kuǎn）高精度減（jiǎn）振鏜刀（圖 6）對軸承孔進行加工試（shì）驗。

圖 6 減振鏜刀加工軸承孔示意圖

減振鏜刀主要通（tōng）過（guò）阻尼減振的方式（shì），提高刀杆的動剛度，減小刀具徑向跳動量，從而提高軸承孔表麵加工質量。試驗過程中，綜合考慮零件材料的切削性能、加工技（jì）術要（yào）求、刀具本（běn）身的減振效果（guǒ）、刀具壽命、讓刀等因素，對減振鏜刀切（qiē）削參數進行（háng）了調試優化。

（1）切削深度：一（yī）般來說，切削深度應略大於刀尖圓角，加工時尺寸更穩定（dìng），以免在刀片圓角上（shàng）切削時（shí），切削部位主（zhǔ）、副偏角不穩定，對讓刀（dāo）量大小產生影響，從而導致尺寸（cùn）加工不穩定。但由此選用的切削深（shēn）度相對較大，在進（jìn）行精加工時，切削深度過（guò）大，切（qiē）削阻力增加，讓刀量增加，不利於保證（zhèng）尺寸精度，一般精加工切深選擇 0.1 ～ 0.2 mm。同時減振鏜刀是彈性結構，刀杆（gǎn）靜態剛性不佳，切削讓刀現象更為突顯，切深 0.2 mm 時，讓刀量約為 0.03 ～ 0.04 mm；切深 0.1 mm 時，讓刀量約為 0.01 ～ 0.02 mm。因此，為了更好的保證尺寸精（jīng）度，進刀時應根（gēn）據切深適當補償讓刀量，經過試驗摸索，給（gěi）定（dìng）切深為 0.1 mm，並預留約 0.02 ～ 0.03 mm 餘量，加（jiā）工後測量孔徑計算實際餘量，補償刀具加工至最終尺寸，刀補值（zhí）等於實際餘量減去上一次切削時的讓刀（dāo）量，避免因（yīn）上（shàng）一次切削讓刀回彈導致尺寸（cùn）超差（chà），切（qiē）深（shēn） 0.1 mm 時（shí）刀具讓刀（dāo）略大（dà）於 0.01 mm，同（tóng）時最後精修時也會產（chǎn）生輕微讓刀，根（gēn）據實際經驗，最終刀補值（zhí）為實際餘量減去 0.01mm 讓刀量即可保證孔徑（jìng）尺寸要求（qiú）。

（2）線速度：線速度是影響減振鏜刀加工振動的最（zuì）重要（yào）因素，線速度過大（dà）或過小，均可能引起切削振顫，根據山特維克多年的（de）減振鏜刀加工經驗和試驗（yàn）摸索，切削（xuē）鈦合金（jīn）材料（liào）線速度（dù）一般選用 40 ～ 80 m/min最佳，結合零件材料（liào） ZTC4 的切（qiē）削性能，經調試，最終給定線速度為 50 m/min，采用這一切削參數無加工振顫現象（圖 7）。

（3）每轉進（jìn）給 f：根據表麵粗糙度計算公式Ra = f 2 × 1000/（R × 8），在保證粗糙度要求 0.4 的前提下可計算求（qiú）得 f 值，從（cóng）公式中可以看出，粗糙度與每轉（zhuǎn）進給成正比，與刀尖圓角成反比，在精密尺（chǐ）寸的實際加工中，為了減小切削力，提高切削穩定性，需盡可能保證刀（dāo）片的鋒利度，由此（cǐ）選用 R0.2 精車刀（dāo）片，通（tōng）過上述公式計算可得：f =（Ra × R × 8/1000）1/2 =（0.4 × 10-6 × 0.2 ×8/1000）1/2 = 0.025 3 × 10-3m為了保證粗糙度合格（gé），選擇的每轉進給 f 應不大於 0.025 3 mm，但是切（qiē）削時若進給量太小，會加（jiā）速刀具塗層磨損速度，降低（dī）刀具壽命（mìng），影響尺寸加工精度（dù），因此，最終給定每轉進（jìn）給（gěi） f 為 0.025 mm；采用這一切削參數加工，軸承孔表（biǎo）麵質量可以（yǐ）達（dá）到理想效果（圖 7）。

圖 7 減振鏜刀加工的軸承孔

采用大長徑比高精度減振刀（dāo）具在（zài）大行程臥式五軸加工中心一次裝夾加工機匣兩精密斜軸承孔，由於減小甚至基本消除了加工（gōng）振（zhèn）動，切削穩定性好，相對（duì）於采用一般加長標準鏜刀加工，軸承孔（kǒng）表麵質量及其同軸度、垂直度等形位要（yào）求也有極大提高，軸承孔加工精度和表麵質（zhì）量基本滿足（zú）了設（shè）計要求。

3、結（jié）束語

通（tōng）過對一種複雜精密斜軸承孔進行加工試（shì）驗分析，確定了采用大長徑比減（jiǎn）振刀具在大行程臥式五軸加工中心一次裝夾加工的工（gōng）藝方案（àn），兩軸承孔加工精度基本滿足了設計要求。采用上述方案（àn）加工的機匣軸承孔，錐齒輪軸裝配效果良好，順利通過了300 h 長期試車考核，未發生錐齒輪軸（zhóu）裂紋等現象。

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