某型渦輪轉(zhuǎn)子加工工藝研究

摘要：渦輪轉(zhuǎn)子是某型產(chǎn)品核心零件，該產(chǎn)品通過兩次焊接、機械加工制成。零件為異種材料焊接而成，不易裝夾，材料加工難度大。加工過程中通過摸索加工參數(shù)和裝夾方式，制定合理的工藝流程以及加工參數(shù)來控制產(chǎn)品的變形，保證零件最終要求。通過此次工藝研究，摸索出了高溫合金渦輪軸類的加工方法，解決了這個領(lǐng)域異體焊接的工藝問題。

關(guān)鍵詞：渦輪；參數(shù)；加工

1 課題研究的目的和意義

1.1 研究的目的和意義

801渦輪轉(zhuǎn)子是某型產(chǎn)品的核心動力部件，產(chǎn)品的質(zhì)量直接關(guān)系到該型號發(fā)動機的性能。該渦輪轉(zhuǎn)子為不同材料的3種單件焊接而成，整體葉盤和焊接軸頸的材料為不同材料（高溫合金和不銹鋼材料），正常的真空電子束焊不能焊接成功，且該渦輪轉(zhuǎn)子的機加精度很高，為了滿足產(chǎn)品的客戶需求，特對該渦輪轉(zhuǎn)子組件加工工藝進行研究。

1.2 零件結(jié)構(gòu)分析

渦輪轉(zhuǎn)子801為典型的盤軸類零件，零件經(jīng)過單件001、002、003兩次焊接而成，單件為不同材料，一種為高溫合金k417，一種為不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV；軸的小端和中端各有一處外花鍵，在小端靠近花鍵處帶有外徑螺紋，在靠近整體葉盤的附近有一處蓖齒結(jié)構(gòu)。此零件的高精度是此零件加工過程中的難點問題。

2 制造工藝準(zhǔn)備

2.1 工藝規(guī)程的編制

2.1.1 工藝難點分析

通過分析，借鑒我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中積累的經(jīng)驗可以初步判斷出主要的幾個工藝難點：

a.在加工的過程中，軸端的D1圓柱度0.003、對基準(zhǔn)AB的雙跳動0.008、對基準(zhǔn)A的同軸0.008，中徑D2對基準(zhǔn)AB的跳動0.012，精度要求很高且不易保證，因此，如此精度的產(chǎn)品工序應(yīng)安排高精外圓磨床上進行加工。

b.該產(chǎn)品要經(jīng)過兩次焊接工序，零件會產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致零件變形，那么應(yīng)在焊接后再進行轉(zhuǎn)子的精加工；首次焊接不同材料高溫合金應(yīng)制做焊接試驗件，摸索焊接參數(shù)，以確保渦輪轉(zhuǎn)子的最終質(zhì)量。

c.機械加工中，轉(zhuǎn)子的裝夾應(yīng)該注意裝夾變形和夾傷的問題，如雙頂磨削時，注意不要用力過大，將軸頂彎，產(chǎn)品的防護同樣非常重要，裝夾時要及時墊放紗布或者銅皮對軸頸進行保護。

d.由于整體葉盤的材料為高溫合金K417材料，加工中對刀具的要求非常高，應(yīng)該選擇硬質(zhì)合金涂層刀片進行切削，并嚴(yán)格控制切削三要素，在轉(zhuǎn)速、進給、吃刀量上確定出合理的參數(shù)（轉(zhuǎn)速40r/min，進給0.15mm，吃刀量0.5mm），及時更換刀片，刀具要分粗精加工。

e.該轉(zhuǎn)子是高溫合金精鑄整體葉盤和機加不銹鋼軸焊接而成，通常精鑄整體葉盤的不平衡量非常大，精加工完再去做動平衡會導(dǎo)致在最終的動平衡工序時去重的余量不足，致使整體葉盤和整個渦輪轉(zhuǎn)子最終報廢。這就需要安排一道粗平衡工序，在渦輪轉(zhuǎn)子記錄不平衡量的方位和大小，在后續(xù)的車工中給動平衡留夠余量去重，以滿足最終的動平衡要求。

2.1.2 工藝路線的確定

根據(jù)以上簡單的分析制定大致工藝路線如下：

10焊接20車工30車工40插花鍵50磨工60去毛刺70洗滌80尺檢90動平衡100去重110最終檢驗

2.2 工藝裝備的準(zhǔn)備

2.2.1 夾具準(zhǔn)備

該產(chǎn)品是典型的盤軸類零件，在磨削、焊接、插花鍵、鉆孔等工序中需要專用夾具，尤其是焊接工序沒有焊接工裝是無法進行的，因此，需訂制焊接夾具；生產(chǎn)軸類產(chǎn)品，在機械加工過程中是少不了雙頂尖、中心架、牛皮、紗布、銅皮等輔助二級工具。

2.2.2 測量方法初步選定

a.花鍵檢測：通常我們用綜合花鍵量規(guī)對花鍵進行檢測，因此需訂制兩種花鍵綜合量規(guī)，也可到齒輪測量機進行檢測。

b.軸頸檢測：渦輪轉(zhuǎn)子的軸頸精度很高，基本上在0.01mm以內(nèi)，通常需要用分離卡檢測。

c.形位公差檢測：軸類零件的加工，在同軸度、跳動、雙跳動、圓度上要求比較嚴(yán)格，通常可以采用在機床上、雙頂尖工作臺用打表的方式進行檢測或者用三坐標(biāo)測量機、圓度儀、型面儀等先進設(shè)備進行測量。

d.焊縫檢驗：焊縫表面應(yīng)光潔，并圓滑過渡到母材，焊縫表面應(yīng)無裂紋、縮溝、焊瘤、未熔合等缺陷，并且需要做X光、滲透、CT等無損探傷檢測，性能拉伸等試驗。

2.2.3 其他工藝裝備的準(zhǔn)備

在加工過程中，其他所需專用的裝夾量具， 包括車刀、鉆頭、絲錐、砂輪等；這些工藝裝備的準(zhǔn)備基本采用進口合金刀具，只要能滿足加工高溫合金K417材料要求即可。

3 主要制造過程控制

3.1 焊接方法的摸索及改變

該產(chǎn)品中組件是001和002焊接而成，由于單件材料不同，001為高溫合金K417，002為1Cr11Ni2W2MoV，焊接時發(fā)現(xiàn)不能正常焊接到一起，焊縫經(jīng)過無損探傷檢驗后，發(fā)現(xiàn)有裂紋，性能也不能達標(biāo)。經(jīng)過分析，有一種焊接方法也許可以滿足這樣的焊接要求--擴散焊接法。這種焊接方法，目前在國內(nèi)只有某高校的技術(shù)較為先進。該高校歷經(jīng)四輪擴散焊焊接試驗，焊縫的質(zhì)量滿足了性能要求，保證了最終的設(shè)計性能要求。

3.2 軸類的磨削

磨削工序是保證該渦輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量的關(guān)鍵工序。磨削時，對磨削參數(shù)的選擇至關(guān)重要。該軸頸為K417和1Cr11Ni2W2MoV材料。根據(jù)實戰(zhàn)經(jīng)驗，一般普通白剛玉砂輪磨削效果理想，需采購CBN金剛石砂輪，金剛石砂輪能夠很好的對該材料進行磨削。磨削時采用雙頂裝夾磨削。

砂輪名稱及參數(shù)為：金剛石砂輪，磨料RVD，粒度70/80，結(jié)合劑B，濃度100%。

經(jīng)過對試驗件的磨削試驗，最終磨削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速50r/min，磨頭轉(zhuǎn)速1500r/min，上刀量0.005。

3.3 花鍵的加工

花鍵在傳遞較大扭矩的同時，還要承受強烈的沖擊和振動，齒表面還會存在摩擦和磨損以及較高溫度和速度的考驗。其使用條件要求材料具有高度強度、好沖擊韌性、較高的表面硬度及一定的熱硬性和熱強度，為了滿足零件的使用要求和熱處理工藝性能要求，需對渦輪軸進行滲碳、淬、回火工藝，有效滲碳層為0.25～0.50 mm，零件表面硬度≥HRC60，心部硬度≥HRC 33～43。

加工花鍵工序中，需要訂制專用的插齒刀，其中一把插齒刀需要加長，至少200mm。

插花鍵參數(shù)：主軸沖程為80次/min，粗插上刀量為0.5mm，最終精插每刀0.01mm。

4 結(jié)論

通過本次對整個工藝流程的研究，更深的掌握了盤軸類零件的加工技術(shù)，從零件裝夾到加工，從加工再到測量，綜合了焊接、車工、磨削、插花鍵、鍍鉻、檢驗等多種工序，對盤軸類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能有了更深的了解。

但仍存在一些技術(shù)問題沒有吃透，問題總結(jié)如下：

a.參數(shù)合理化問題：

這包括機加參數(shù)和焊接參數(shù)。

渦輪轉(zhuǎn)子在車削時要控制上刀量，例如在半精加工時，每次上刀量為0.5mm，刀具磨損嚴(yán)重，讓刀現(xiàn)象頻現(xiàn)，這樣會導(dǎo)致零件因受外力而變形，同時零件內(nèi)部也聚集了大量的應(yīng)力，給后續(xù)加工埋下了質(zhì)量隱患。因此在加工高溫合金零件時，我們盡量采取低轉(zhuǎn)速、小吃刀量、低進給的方法進行車削。

焊接參數(shù)也需要經(jīng)幾次試驗來確認(rèn)，不能盲目的憑借經(jīng)驗主義焊接，本次研制過程中，因為焊接原因報廢了2件產(chǎn)品。

b 影響零件變形的因素：

影響變形的因素大致總結(jié)為以下幾種：（1）加工過程中的裝夾變形；（2）零件內(nèi)部的應(yīng)力變形；（3）焊接熱力變形；

通過不斷的總結(jié)和改進，更加的完善了工藝規(guī)程，增強了工藝流程的可操作性和實用性。