涡轮轴外衬套机械加工工艺设计(2)

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

涡轮轴发动机与涡轮螺旋桨发动机相似，曾经被划入同一分类。它们都由涡轮喷气发动机演变而来，涡桨发动机驱动螺旋桨，涡轮轴发动机则驱动直升机的旋翼轴获得升力和气动控制力。当然涡轮轴发动机也有自己的特色：通常带有自由涡轮，而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。

涡轮轴发动机具有涡轮喷气发动机的大部分特点，也有着进气道、压气机、燃烧室和尾喷管等基本组件。其特有的自由涡轮位于燃烧室后方，高能燃气对自由涡轮作功，通过传动轴、减速器等带动直升机的旋翼旋转，从而升空飞行。自由涡轮并不像其他涡轮那样要带动压气机，它专门用于输出功率，类似于汽轮机。做功后排出的燃气，经尾喷管喷出，能量已经不大，产生的推力很小，包含的推力大约仅占总推力的十分之一左右。因此，为了适应直升机机体结构的需要，涡轮轴发动机喷口可灵活安排，可以向上，向下或向两侧，而不一定要向后。尽管涡轮轴发动机内，带动压气机的燃气发生器涡轮与自由涡轮并不机械互联，但气动上有着密切联系。对这两种涡轮，在气体热能分配上，需要随飞行条件的改变而适当调整，从而取得发动机性能与直升机旋翼性能的最优组合。

1.1 发展现状

涡轮轴发动机的诞生涡轮轴发动机首次正式试飞是在1951年12月。作为直升机的新型动力，兼有喷气发动机和螺旋桨发动机特点的涡轮轴令直升机的发展更进一步。当时涡轮轴发动机还划入涡轮螺桨发动机一类。随着直升机的普及和其先进性能的体现，涡轮轴发动机逐渐被视为单独的一种喷气发动机。

在1950年时，透博梅卡(Turbomeca)公司研制成“阿都斯特-1”(Artouste-1)涡轮轴发动机。该发动机只有一级离心式叶轮压气机，有两级涡轮的输出轴，功率达到了206千瓦(280轴马力)，成为世界上第一台实用的直升机涡轮轴发动机。首先装用这种发动机的是美国贝尔直升机公司生产的Bell47(编号为XH-13F)，1954年该机首飞。到了50年代中期，涡轮轴发动机开始为直升机设计者所大量采用。

第2章 零件图样分析确定定位基准

2.1 零件图样分析

涡轮轴外衬套零件图一份，零件材料为40CrNiMoA，年生产纲领200台／年，1件／台。涡轮轴外衬套是安装在飞机发动机涡轮轴外面的衬套，与涡轮轴一起作高速旋转（约1000～1500转／分），工件温度很高（约800℃），外表面分别与轴承及封闭环配合，封闭环的作用是阻止冷却轴承的润滑油流出。涡轮轴外衬套固定在涡轮轴上，并和涡轮轴一起旋转，可以防止涡轮轴的磨损，在很大程度上影响着机器的操作精度。该轴套是一个薄壁零件，刚性差，精度要求高。主要表面的经济加工精度是IT6—IT8级，因此要注意解决变形对加工质量的影响问题。在制定加工工艺规程时要重视阶段的划分，夹紧力方向的选择和夹紧力大小的控制，以及切削用量的选择。零件如下图所示：

本零件是涡轮轴外衬套，主要用于传递扭矩和承受载荷。要求具有较高的强度、耐磨性和精度保护性。

它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母

根据工作性能与条件，该涡轮轴外衬套图样规定了主要轴颈M，N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该轴的蜗轮关键工序是轴

颈M、N和外圆P、Q的加工。

2.2 确定毛坯

2.2.1确定毛坯材料

轴常用材料主要是优质碳素钢和合金钢，优质碳素钢价格低廉，对应力集中的敏感性小、并能通过热处理改善综合性能。一般机械的轴常用45钢。

轴的毛坯一般采用轧制的圆钢或锻件。锻件的强度较高，重要的轴，阶梯尺寸变化大的轴。应采用锻制毛坯。

故本零件材料选用45钢，宜采用锻件。调质处理硬度217-255HB。 2.2.2确定毛坯总余量

根据机械手册查单边余量留1.5mm较合适。

2.3 确定主要表面的加工方法

涡轮轴外衬套大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。由于涡轮轴外衬套的主要表面M、N、P、Q的公差等级(IT6)较高，表面粗糙度Ra值(Ra=0.8 um)较小，故车削后还需磨削。外圆表面的加工方案可为：

粗车→半精车→磨削。

2.4 确定定位基准

合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面(Q、P、N、M)及轴肩面(H、G)对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。

粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹(有时在上工步已车外圆处搭中心架)，车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。

2.5 划分加工阶段

对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。该涡轮轴外衬套加工划分为三个阶段：粗车(粗车外圆、钻中心孔等)，半精车(半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等)，粗、精磨(粗、精磨各处外圆)。各阶段划分大致以热处理为界。

2.6 热处理工序安排

轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于轴，正火、调质和表面淬火用得较多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。

综合上述分析，涡轮轴外衬套的工艺路线如下：

下料→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。

确定工艺过程方案:

表 1.1 拟定工艺过程

工序号 010 020 030 040 050 060 070 080 090 0100 0110 工序内容 一箱多件沙型铸造 进行人工时效处理 涂漆 铣底面 钻4-Φ13.5锪平Φ24的孔 粗铣Φ98的左右侧面和工件的左侧面 铣前后Φ65的凸台面 铣Φ36凸台面 钻扩绞Φ18H7孔,孔口倒角1X45° 粗镗Φ74孔、孔口倒角2.5X45°，粗镗Φ132孔 精铣Φ98凸台的左侧面和工件的左侧面 简要说明 消除内应力 防止生锈 先加工面 先粗加工 后精加工 0120 0130 0140 0150 0160 0170

精镗Φ74H7孔和Φ132H8的孔 钻M12-6H螺纹底孔，孔口倒角2X45°，攻螺纹M12-6H 后加工孔 钻4-M10-7H螺纹底孔，攻螺纹4-M10-7H 钻4-M8-H7螺纹底孔，攻螺纹4-M10-7H 检验 入库 2.7 加工尺寸和切削用量

涡轮轴外衬套磨削余量可取0.5mm，半精车余量可选用1.5mm。

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