CN105750834A - 一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法，属于精密加工技术领域。包括如下步骤：(1)预制轴承环和法兰环半成品单件：(2)电子束焊接轴承环与法兰环：(3)X光射线检查焊缝；(4)预制焊接后轴颈组件加工、定位基准；磨焊接组件两端面，磨轴承环外圆面，采取最小的材料去除量，修正轴颈组件焊接焊后的变形；(5)车、铣轴组件法兰盘部分的全部型面；(6)第二次修正轴颈组件两侧端面；(7)精磨削轴承环面；进行最终的性能检测。本发明创造地发明了滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法。解决高硬度滚动轴承钢与难切削材料镍基合金采用焊接方联接，控制焊接后的两个单件变形失真小于0.2。

Description

一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法
技术领域
本发明属于航空发动机用零件的精密加工技术领域，具体涉及一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法。
背景技术
TRENT1000型发动机中压涡轮轴颈产品的制造，为发动机转子零件，属承力关键零件。轴颈前端为发动机中压发动机轴承内套圈，与滚柱、轴承外套圈、保持器装配组成中压轴前支点。轴颈处于发动机中压涡轮前端，轴颈后段法兰与中压一级涡轮盘联接，工作温度在800度以上。为满足发动机对轴颈的性能要求，轴颈前段由滚动轴承钢制成，后段由镍基高温合金制成，两种材料焊接在一起构成轴颈组件。
轴颈前段的轴承内套圈厚度为7.5mm，轨道表面几何尺寸精度等级为IT1，圆度要求5微米，尺寸公差为15微米，表面硬度不低于57HRC。后段法兰部分为开放式复杂型腔结构，平均壁厚为4.0mm，法兰外缘和轴颈中部为迷宫式封严齿结构。该零件为航空发动机重要件，质量关系到发动机的性能及飞机安全。
若采用传统加工方法，由于为克服零件的焊接变形，焊接前的单件留有很厚的余量层，待焊后加工。高温合金加工切屑力大，过多的材料切屑过程使零件积累大量的残余应力，产生严重的加工变形，并且很难控制，直接会影响到轴承环的加工精度，会产生较多的次品或废品，严重影响成品质量和生产效率。
发明内容
针对现有国内对轴颈类产品加工制造水平，与对滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈产品技术要求存在差距的问题，本发明提供了一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法。
为实现上述目的，一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法，包括如下步骤：
(1)预制轴承环和法兰环半成品单件：轴承环除轴承环轨道面和前端端面外，均应制成至最终图纸状态，端面留0.2mm余量层，轴承环留0.16-0.2mm余量层，轴承环半成品做完全热处理，达到轴承环最终要求的材料性能；
法兰环半成品与最终零件轮廓留1.0mm余量层，复杂结构可做简化几何轮廓；法兰环热处理达到最终热材料性能状态；
(2)电子束焊接轴承环与法兰环：采用电子束焊能量收集装置监控，控制电子束能量均匀输入工件，形成一致的焊道，和均匀的零件收缩；
(3)X光射线检查焊缝；
(4)预制焊接后轴颈组件加工、定位基准；磨焊接组件两端面，磨轴承环外圆面，采取最小的材料去除量，修正轴颈组件焊接焊后的变形；
(5)车、铣轴组件法兰盘部分的全部型面；
(6)第二次修正轴颈组件两侧端面；
(7)精磨削轴承环面；进行最终的性能检测。
所述步骤(2)中电子束焊接参数为：高压12KV；焊接束流15.3mA-18.2mA；焊速4mm/s；聚焦电流1915mA；摆动频率80Hz；焊接重合区10s。
对成品的轴承环面轨道面做硬度检查，经检查，符合轴承环面的机械性能要求。
X光射线探伤焊缝位置，检查结果，未发现有空洞，裂纹等缺陷。
对轴承环表面做磁粉探伤，以检查轴承环表面是否存在裂纹等危害轴承环性能的缺陷；检查结果，未发现有裂纹显示。
荧光渗透检查法兰环部分，以检查法兰环是否存在裂纹等表面缺陷；检查结果，未发现法兰表面有裂纹等表面可视缺陷。
采用三坐标测量机检查加工后的轴颈几何尺寸，其检查结果完全符合预期的图纸要求，由于加工过程始终采用轴承为定位校正面，各加工表面的同轴度误差小于0.13。轴承环轨道表面圆度小于0.005mm。
采用粗糙度检测对轴承环表面进行检测，经精密磨削后的轴承环表面粗糙度达到0.2μm要求，符合轴承环轨道的机械性能要求。
本发明采用电子束技术的能量监测装置，具有焊道窄，焊接精度高的特点，达到热影响可控的目的。将难切削的滚动轴承钢预制成接近最终几何形状，解决滚动轴承钢焊接后形成复杂结构形貌后无法加工问题。仅几何精度最高的轴承环面留至焊后加工。法兰环半成品留较少材料，可通过焊后组合加工消除焊接带来的变形，又能控制切削残余应力影响零件切削变形。两次对焊后轴颈组件的前后端面磨削，可消除由于零件定位面与夹持工具面之间的不贴合间隙，防止由于夹持力导致的零件变形，保持零件在加工状态与自由状态的一致性。本发明采取先粗后精，先车、铣后磨削的加工步骤，有效地保持最好的几何加工精度。
本发明创造地发明了滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法。解决高硬度滚动轴承钢与难切削材料镍基合金采用焊接方联接，控制焊接后的两个单件变形失真小于0.2。解决现有方法不能解决的由两种不同性能的难加工材料组成的焊接组件对高精度几何尺寸和复杂轮廓型面的问题。本加工方法根据轴颈组件的结构特点，制定有效的加工步骤和过程控制方法，并采用精密的夹持工具辅助组件的加工，保证零件能够被可靠地加工。本加工方法的发明可为我国航空发动机轴颈类产品研发、设计提供制造方法保障，可供相似的结构的军、民用航空发动机中的轴颈类产品生产制造借鉴，提高我国航空发动机制造水平。
附图说明
图1为焊后轴颈结构示意图，图中：1轴承环；2法兰环，3焊道；
图2为轴颈最终形状示意图，
图3为轴颈磨加工夹具示意图。
具体实施方式
实施例1
采用模锻将10W3Cr滚动轴承钢加工出坯件，加工轴承环全部尺寸，包括：轴承环轨道型面，内型面油槽，油孔。轴承环表面做硬化处理，达到最终材料性能状态，硬度值达最小57HRC。采用模锻将INCO718加工坯件，粗加工法兰坯件至单面余量1.0mm。做超声波探伤，检查材料内部缺陷。法兰环做时效处理达到INCO718最终材料性能，硬度值达不小于361HV。；件1—轴承环与件2—法兰环的焊接装配表面公差控制在+/-0.015，保证两零件间无间隙。轴承环与法兰环实施电子束焊接。手动调整工件位置使焊缝与电子枪瞄准对齐。零件内部放置电子束能量测量装置，工件焊接由设定好焊接参数的电子焊设备控制运行焊接程序。焊接参数为：高压＝12KV；焊接束流＝15.3mA-18.2mA；焊速＝4mm/s；聚焦电流＝1915mA；摆动频率＝80Hz；焊接重合区＝10s。通过显示装置，监视电子束能量输入值，手动或自动调整焊接束流在15.3mA-18.2mA内，焊接束流过高则焊缝未穿透，过低产生凹陷。经测量，轴承环与法兰环焊接后的长度收缩量在0.2mm。
焊后(见图1)，对焊接组件做去应力热处理，消除焊接应力。然后对焊道实施X光射线探伤，检查焊道内是否有缺陷，判断是否需要实施返工重焊。
研磨轴承环端端面，要求表面全部被磨削见光，消除表面不平。总材料去除厚度小于0.15mm。以研磨后的轴承端面为基准，采用圆平磨磨削法兰端面，使其平面度不大于0.02mm。以轴颈组件两端面为基准用专用装具夹持轴颈磨削轴承环外圆，装具见图3。零件被装入装具前，应在机床上检查装具定位面的跳动相对于轴线跳动不大于0.005。轴承环外圆应磨削最小材料并保证圆周形成连续磨削面。
以轴承环轨道面为零件加工圆周找正面，找正零件加工法兰的内外型面，采取等厚度的仿型切削，切削表面速度25-32m/min，切削深度0.25-0.5mm，进给量0.07-0.2mm/rev。
重研磨轴承环端面，并要求其研磨后平面度不大于0.005。然后再重磨法兰端面，方法与第一次磨削方法相同，使其磨削后的法兰端面平面度不大于0.007mm，相对于轴承环轨道面垂直度不大于0.01mm。根据精度等级依次磨削轴颈组件的几何尺寸，磨削顺序，由低至高，最后磨削轴承环面。磨削的每个操作步骤，均应以轴承环轨道面为定位校正面，校正零件回转中心与磨床主轴同心，最大偏差小于0.01mm。轴颈最终形状示意图如图2
对轴承环面轨道面做硬度检查，判断是否由于硬化层被磨削而降低硬度，硬度检查位置应处于轴承环面油孔同纬度的表面，不能临近孔及几何特征边缘。经检查，轴承环表面硬度高于660HV，符合轴承环面的机械性能要求。
X光射线探伤焊缝位置，最终检查材料内部是否存在缺陷。检查结果，未发现有空洞，裂纹等缺陷。
对轴承环表面做磁粉探伤，以检查轴承环表面是否存在裂纹等危害轴承环性能的缺陷。检查结果，未发现有裂纹显示。
荧光渗透检查法兰环部分，以检查法兰环是否存在裂纹等表面缺陷。检查结果，未发现法兰表面有裂纹等表面可视缺陷。
采用三坐标测量机检查加工后的轴颈几何尺寸，其检查结果完全符合预期的图纸要求，由于加工过程始终采用轴承为定位校正面，各加工表面的同轴度误差小于0.13。轴承环轨道表面圆度小于0.005mm。
采用粗糙度检测对轴承环表面进行检测，经精密磨削后的轴承环表面粗糙度达到0.2μm要求，符合轴承环轨道的机械性能要求。

Claims (2)

1.一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)预制轴承环和法兰环半成品单件：轴承环除轴承环轨道面和前端端面外，均应制成至最终图纸状态，端面留0.2mm余量层，轴承环留0.16-0.2mm余量层，轴承环半成品做完全热处理，达到轴承环最终要求的材料性能；
法兰环半成品与最终零件轮廓留1.0mm余量层，复杂结构可做简化几何轮廓；法兰环热处理达到最终热材料性能状态；
(2)电子束焊接轴承环与法兰环：采用电子束焊能量收集装置监控，控制电子束能量均匀输入工件，形成一致的焊道，和均匀的零件收缩；
(3)X光射线检查焊缝；
(4)预制焊接后轴颈组件加工、定位基准；磨焊接组件两端面，磨轴承环外圆面，采取最小的材料去除量，修正轴颈组件焊接焊后的变形；
(5)车、铣轴组件法兰盘部分的全部型面；
(6)第二次修正轴颈组件两侧端面；
(7)精磨削轴承环面；进行最终的性能检测。
2.按照权利要求1所述的一种滚动轴承钢与镍基高温合金组成的轴颈的加工方法，其特征在于所述步骤(2)中电子束焊接参数为：高压12KV；焊接束流15.3mA-18.2mA；焊速4mm/s；聚焦电流1915mA；摆动频率80Hz；焊接重合区10s。
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