CN111872635A - 超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法 - Google Patents

Abstract

超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，超长径比的带盲孔涡轮轴具有轴的一端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴，整个涡轮轴分为长轴与短轴两截，长轴与短轴两截分别加工完成后，在连接的坚直平面用电子束焊接，长轴与短轴的焊接面是轴中央内部为大孔径内孔部位的截面；短轴的一端为小口径内孔、另一端即大端为加工好大孔径内孔，长轴的一端为加工好大孔径内孔、另一端加加工好的盲孔；焊接前短轴与长轴的外圆尺寸需保持一致；短轴大端内孔尺寸精加工到位，保证内外圆的同轴度不大于0.01mm；长轴与短轴安装在焊接工装中进行装配；在焊接电子束焊接时，两根轴过盈焊接拼装，保证同轴度≤0.02mm。

Description

超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法

技术领域

本发明设及发动机技术领域，尤其涉及航空发动机中的涡轮轴的精准对接加工方法。

背景技术

涡轮轴是发动机的重要零部件，尤其是航空发动机的重要零部件，它的作用是支撑传动零件和传递扭矩，从而使压气机和其他附件同时工作。由于航空发动机中的动力负荷较大，涡轮轴本身的尺度较大，考虑对重量减轻、冷却和动平衡的要求，涡轮轴的结构比较复杂，是带盲孔甚至有部分轴的位置开有更距央涡轮轴对涡轮轴的加工提出了一些特殊的要求。

两端钻孔的盲孔轴长度较长，加工两端内孔时需要分两道工序掉头进行，且由于内孔较深，分两道深孔钻加工常会偏离轴线位置，使得两端的内孔轴线不在同一轴线上。

长短轴焊接后，零件的长径比太大，加工过程容易产生变形和弯曲，零件的最终壁厚差≯0.1mm难保证。

带盲孔轴的加工与工夹具及检测技术可以参考一些现有技术：如CN201410755694X提出了一种深孔内壁盲孔加工刀具，基体外壁上圆周均布有导向块，动力轴固定在基体轴向孔内，动力轴一端外壁有键槽通过键与皮带轮连接，动力轴另一端内壁有键槽与小锥齿轮、大锥齿轮啮合；大锥齿轮固定在套筒通孔间；大锥齿轮与外螺纹安装刀头相连，外螺纹安装刀头固定在刀具外壳内；刀具外壳与一圆盘连接，圆盘与基体径向通孔配合，齿条与放入壳体的齿轮啮合，齿轮安装在进给轴的一端上，进给轴旋转带动齿轮旋转，齿轮与齿条啮合，齿轮旋转引起齿条径向移动，齿条固定在半圆柱体上，使半圆柱体与刀具外壳，套筒，圆盘一齐进行径向运动，刀具外壳径向运动则使外螺纹安装刀头产生径向运动，同时使外螺纹安装刀头上安装的刀具产生径向运动。

CN200610118881.2公开了一种加工深盲孔底端内曲面的数控镗杆,包括镗杆套,摆动刀杆,摆动轴,与镗杆套连接的伺服电机,传动轴,摆动驱动齿轮,伞齿轮副,摆动刀杆后部设有摆动齿轮,伺服电机输出轴通过联接轴与固定在镗杆套内的轴承座中的传动轴固定连接,传动轴通过主动伞齿轮带动从动伞齿轮及与从动伞齿轮一起安装在过渡轴上的摆动驱动齿轮回转,摆动驱动齿轮与摆动刀杆的摆动齿轮啮合,带动摆动轴及摆动刀杆作回转摆动。

CN2017112116661公开了薄壁盲孔零件外圆加工工装，包括心棒、扩张爪、轴向通孔、第一螺母、第一螺钉以及轴向移动件；第一螺母套装在心棒外部并可在心棒的外壁上自如旋动；心棒的端部设置扩张爪；心棒的轴向设置轴向通孔；心棒的侧壁上设置有与轴向通孔相贯通的轴向开槽；轴向移动件套装在心棒外部并从轴向开槽伸入轴向通孔中；第一螺钉置于轴向通孔中并与扩张爪相接触；第一螺母通过轴向移动件与第一螺钉相连并带动第一螺钉在轴向通孔中轴向移动；第一螺钉在轴向通孔中轴向移动时径向挤压扩张爪发生形变；待加工零件套装在扩张爪外部。本发明具有外圆与内孔同轴度高、可有效确保零件不变形以及便于加工的优点。

CN2017110158405公开了机车增压器主轴盲孔螺母螺纹垂直度检测装置与使用方法，其特征在于：底板上面固定4根支撑柱，设有中心孔的基座固定于4根支撑柱的上端。设有凸台的空心轴轴部穿过基座上的中心孔并与中心孔的内径之间形成过盈配合公差。设有轴挡的旋转轴的上端中心设有半圆孔，顶珠置于该半圆孔内。旋转轴下端中心设有螺孔，底部设有中心孔的锁紧罩被螺钉紧固于旋转轴下端的螺孔内。锁紧罩与基座的下部之间设有压簧。锁紧罩的上端面与基座的下表面之间设有间隙。杠杆千分表紧固于测表支架上，而测表支架固定于基座的侧面。

但不能解决具有轴上具有轴端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴的装备与制造。

发明内容

本发明的目的是：提出一种解决具有轴上具有轴端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴的装备与制造。尤其是超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法。包括盲孔涡轮轴能保证内孔同轴度的方法；提出一种超长径比的盲孔涡轮轴在电子束焊接后如何保证壁厚差不大于0.1mm的加工方法。

为了解决本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，超长径比的带盲孔涡轮轴具有轴的一端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴，整个涡轮轴分为长轴11与短轴12两截，长轴与短轴两截内孔的盲孔分别车钻镗加工完成后，在连接的坚直平面用电子束焊接，长轴与短轴的焊接面是轴中央内部为大孔径内孔部位的截面(垂直于涡轮轴的剖面)；短轴的一端为小口径内孔、另一端即大端为加工好大孔径内孔，长轴的一端为加工好大孔径内孔、另一端加加工好的盲孔(长轴与短轴的外柱侧可焊接完成后再车或铣加工)；

5)焊接前短轴与长轴的外圆尺寸需保持一致；

6)短轴大端内孔尺寸精加工到位，保证内外圆的同轴度不大于0.01mm；

7)长轴的盲孔端的配合尺寸保证过盈量要求；

8)长轴与短轴安装在焊接工装中进行装配；在焊接电子束焊接时，两根轴过盈焊接拼装，保证同轴度≤0.02mm，工艺验证电子束焊的焊接参数；所述焊接工装结构如下，设有圆筒、端部封盖，圆筒7的两端由端部封盖1、8活络固定，圆筒在焊接面处开有焊接窗口6，圆筒在焊接面的两侧筒上两个垂直面上各设有一组120度均匀分布的三颗螺栓，三颗螺栓5呈12点、4点、8点旋入圆筒内分别能调节支承长轴与短轴的外柱面；长轴盲孔与短轴的小口径内孔均设有芯棒，芯棒2、10分别插入左右端部封盖1、8的中心且紧配合，4点、8点螺栓与芯棒三个点固定短轴与长轴的位置，从而使密封面贴合，其中4点、8点螺栓能够精确调节短轴与长轴的位置，最后再用12点螺栓固定；短轴与长轴的外圆在焊接面处左右5-15mm均车削成相同直径的台阶13，此台阶的厚度决定电子束焊的厚度；焊接面76；3为封盖的固定孔，4为圆筒的左端部，9圆筒的右端部的固定处。

9)电子束焊后机加工，长轴盲孔端盲孔1用长芯棒紧配合塞入定位，短轴亦如此，找正芯棒中心，钻、镗轴另一端顶尖孔，保证顶尖相对于芯棒心中跳动＜0.02mm；结合的短轴与长轴的中央设有支承中心架，再进行车加工外圆。

4点、8点螺栓在调节位置时在焊接窗口安装百分表，百分表触头接触到切削的台阶上旋转长轴及短轴观察百分表无跳动，最后再用12点螺栓固定；

或者是再加上长轴与短轴接触时再用半环形规进行测量。半环形规的内圆直径等于台阶的外径。

电子束焊后机加工的细节：

1)芯棒与长轴短轴的端面点焊，夹持芯棒，另一端上顶尖，车长轴外圆，保证长轴外圆与内孔芯棒的跳动＜0.02mm；

2)三爪夹持长轴芯棒端，另一端顶尖顶紧，打表检查零件整个长轴外圆跳动值的变化；短轴外圆上中心架，精车内孔及倒角，半精车(0.5mm)外圆；

3)短轴与长轴两端去除芯棒，夹持短轴外圆，盲孔轴靠近端面50mm处支承中心架，车总长及修正内孔倒角；

4)两顶尖定位芯棒端面的中心孔，精车零件外圆，对于基准有跳动要求的外圆，精车时单边留0.1mm余量，最后磨加工保证。

在整个加工过程中以加工好的盲孔轴盲孔1为基准，用此基准去修正零件外圆，进而保证整个零件的零级外圆相对内孔的跳动即零件的壁厚差。

电子束焊的焊接前用试块验证焊接收缩量即台阶的厚度，保证零件在焊接后已经到位的尺寸符合图纸要求，即焊接面熔接透彻又无焊接熔滴凸出大孔径内孔。

a)长轴的盲孔加工：有盲孔的长轴车外圆，圆柱度不大于0.05mm；

b)以外圆定位深孔钻加工内孔、磨内孔；

c)以已磨内孔用芯棒塞入孔内定位，用顶尖定位芯棒端面的中心孔定中心，再车加工盲孔轴外圆，保证圆柱度不大于0.02mm，相对内孔跳动＜0.02mm；

d)再用外圆定位，车、镗盲孔轴另一端内孔，保证镗加工内孔与外圆的跳动＜0.02mm，进而保证了盲孔轴两端的相对跳动不大于0.04mm。

有益效果：提出通过电子束焊接拼接具有轴端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴的制造，包括超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法；以及盲孔涡轮轴能保证内孔同轴度的方法；超长径比的盲孔涡轮轴通过电子束焊接后保证壁厚差不大于0.1mm。

附图说明

图1成品轴的结构示意图；

图2短轴大端内孔尺寸示意图；

图3专用焊接工装装上轴坯的示意图；

图4长轴端盲孔11-1用长芯棒14塞入，找正芯棒中心的结构示意图。

具体实施方式

图中符号：两端部封盖1、8，焊接窗口6，螺栓5，芯棒2、10，台阶13，焊接面76；3为封盖的固定孔，4为圆筒的左端部，9圆筒的右端部的固定处。长轴11、短轴12、盲孔11-1、第二盲孔11-2；

a)成品轴的结构示意图：焊接前短轴与长轴的外圆尺寸需保持一致(图1)；

b)短轴大端内孔尺寸精加工到位，保证内外圆的同轴度不大于0.01mm(图2)；

c)与盲孔端配合尺寸保证过盈量要求；

d)电子束焊接，两根轴过盈装配，保证同轴度≤0.02mm，工艺验证焊接参数(焊接前用试块验证焊接收缩量，保证零件在焊接后已经到位的尺寸符合图纸要求)，设计专用焊接工装装上轴坯的示意图(图3)，保证零件在焊接过程中不因结构而产生过大变形量；

e)焊后机加，盲孔长轴端盲孔11用长芯棒(芯棒中部尺寸小于两端尺寸)定位，找正芯棒中心，钻、镗轴另一端顶尖孔(图4)(芯棒定位，可先打表短轴端小孔跳动，验证焊接后的变形量并记录)，保证顶尖相对于芯棒心中跳动＜0.02mm；

涡轮盲孔轴具体实施工艺方案：

A10毛坯检查→A20粗车外圆及两端面→A30钻孔→A40磨内孔→A50车外圆→A60车焊接端外圆及止口→A70钳修→A80渗透检验→A90标印。

10)焊接前短轴与长轴的外圆尺寸需保持一致(图3)；

11)短轴大端内孔尺寸精加工到位，保证内外圆的同轴度不大于0.01mm(图2)；

12)与盲孔端配合尺寸保证过盈量要求；

13)电子束焊接，两根轴过盈装配，保证同轴度≤0.02mm，工艺验证焊接参数(焊接前用试块验证焊接收缩量，保证零件在焊接后已经到位的尺寸符合图纸要求)，设计专用焊接工装(图3)，保证零件在焊接过程中不因结构而产生过大变形量；

14)焊后机加，盲孔长轴端盲孔11-1用长芯棒(芯棒中部尺寸小于两端尺寸)定位，找正芯棒中心，钻、镗轴另一端顶尖孔15(图4)(芯棒定位，可先打表短轴端小孔跳动，验证焊接后的变形量并记录)，保证顶尖相对于芯棒心中跳动＜0.02mm；

15)芯棒与轴的端面点焊，夹持芯棒，另一端上顶尖，车外圆，保证外圆与内孔芯棒的跳动＜0.02mm(先去除大余量，车至仿形结构2mm状态，分小进刀量多次切削)；

16)三爪夹持芯棒端，另一端顶尖顶紧，打表检查零件整个外圆跳动值的变化，短轴外圆上中心架，精车内孔及倒角，半精车(0.5mm)外圆；

17)零件去除芯棒，夹持短轴外圆，盲孔轴靠近端面50mm处架中心架，车总长及修正内孔倒角；

18)两顶尖定位，精车零件外圆，对于A—B基准有跳动要求的外圆，精车时单边留0.1mm余量，最后磨加工保证。

在整个加工过程中以加工好的盲孔轴盲孔11-1为基准，用此基准去修正零件外圆，进而保证整个零件的零级外圆相对内孔的跳动即零件的壁厚差。

焊接涡轮轴具体实施工艺方案；电子束焊的厚度即焊接面76的焊接由预先试制的电子束试样焊接工艺条件决定成品焊接条件。

焊接前短轴工艺路线工序：

A10毛坯检查→A20粗车外圆→A30去应力热处理→A40精车一端→A50精车另一端→A60划线→A70钳修→A80渗透检验→A90标印

焊后涡轮轴工艺路线工序：

A10集件→A20清洗→A30电子束焊→A40 X光检查→A50车外圆→A60半精车一端(单边留1mm余量)→A70半精车另一端(单边留1mm余量)→A80自然时效→A90车外圆→A100精车一端→A110精车另一端→A120精磨A、B基准及外圆→A130精车一端总长及外圆槽→A140精车另一端面→A150钻孔、铣槽→A160铣花键→A170电脉冲槽→A180钳修→A190标印→A200清洗→A210荧光检查→A220清洗→A230镀铜→A240中间检验→A250动平衡→A260最终检验。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，超长径比的带盲孔涡轮轴具有轴的一端为小口径内孔而轴中央内部为大孔径内孔的盲孔的超长径比涡轮轴，整个涡轮轴分为长轴与短轴两截，长轴与短轴两截内孔的盲孔分别车钻镗加工完成后，在连接的坚直平面用电子束焊接，长轴与短轴的焊接面是轴中央内部为大孔径内孔部位的截面；短轴的一端为小口径内孔、另一端即大端为加工好大孔径内孔，长轴的一端为加工好大孔径内孔、另一端加加工好的盲孔；步骤如下：

1)焊接前短轴与长轴的外圆尺寸需保持一致；

2)短轴大端内孔尺寸精加工到位，保证内外圆的同轴度不大于0.01mm；

3)长轴的盲孔端的配合尺寸保证过盈量要求；

4)长轴与短轴安装在焊接工装中进行装配；在焊接电子束焊接时，两根轴过盈焊接拼装，保证同轴度≤0.02mm，工艺验证电子束焊的焊接参数；所述焊接工装结构如下，设有圆筒、端部封盖，圆筒的两端由端部封盖活络固定，圆筒在焊接面处开有焊接窗口，圆筒在焊接面的两侧筒上两个垂直面上各设有一组120度均匀分布的三颗螺栓，三颗螺栓5呈12点、4点、8点旋入圆筒内分别能调节支承长轴与短轴的外柱面；长轴盲孔与短轴的小口径内孔均设有芯棒，芯棒插入左右端部封盖的中心且紧配合，4点、8点螺栓与芯棒三个点固定短轴与长轴的位置，从而使密封面贴合，其中4点、8点螺栓能够精确调节短轴与长轴的位置，最后再用12点的螺栓固定；短轴与长轴的外圆在焊接面处左右5-15mm均车削成相同直径的台阶，此台阶的厚度决定电子束焊的厚度即焊接面。

2.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，电子束焊后机加工，长轴盲孔端盲孔用长芯棒紧配合塞入定位，短轴亦如此，找正芯棒中心，钻、镗轴另一端顶尖孔，保证顶尖相对于芯棒心中跳动＜0.02mm；结合的短轴与长轴的中央设有支承中心架，再进行车加工外圆。

3.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，4点、8点螺栓在调节位置时在焊接窗口安装百分表，百分表触头接触到切削的台阶上旋转长轴及短轴观察百分表无跳动，最后再用12点螺栓固定；

或者是再加上长轴与短轴接触时再用半环形规进行测量；半环形规的内圆直径等于台阶的外径。

4.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，电子束焊后机加工步骤：

1)芯棒与长轴短轴的端面点焊，夹持芯棒，另一端上顶尖，车长轴外圆，保证长轴外圆与内孔芯棒的跳动＜0.02mm；

2)三爪夹持长轴芯棒端，另一端顶尖顶紧，打表检查零件整个长轴外圆跳动值的变化；短轴外圆上中心架，精车内孔及倒角，半精车外圆；

3)短轴与长轴两端去除芯棒，夹持短轴外圆，盲孔轴靠近端面50mm处支承中心架，车总长及修正内孔倒角；

4)两顶尖定位芯棒端面的中心孔，精车零件外圆，对于基准有跳动要求的外圆，精车时单边留0.1mm余量，最后磨加工保证精度。

5.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，在整个加工过程中以加工好的盲孔轴盲孔为基准，用此基准去修正零件外圆，进而保证整个零件的零级外圆相对内孔的跳动即零件的壁厚差。

6.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，电子束焊的焊接前用试块验证焊接收缩量即台阶的厚度，保证零件在焊接后已经到位的尺寸符合图纸要求，即焊接面熔接透彻又无焊接熔滴凸出大孔径内孔。

7.根据权利要求1的超长径比的带盲孔涡轮轴精准对接加工方法，其特征是，长轴的盲孔加工：有盲孔的长轴车外圆，圆柱度不大于0.05mm；

以外圆定位深孔钻加工内孔、磨内孔；

以已磨内孔用芯棒塞入孔内定位，用顶尖定位芯棒端面的中心孔定中心，再车加工盲孔轴外圆，保证圆柱度不大于0.02mm，相对内孔跳动＜0.02mm；

再用外圆定位，车、镗盲孔轴另一端内孔，保证镗加工内孔与外圆的跳动＜0.02mm，进而保证了盲孔轴两端的相对跳动不大于0.04mm。

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