高溫合金低壓渦輪盤機(jī)械加工技術(shù)研究

（中航工業(yè)黎明公司盤軸加工廠 ，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

1 概述

渦輪轉(zhuǎn)子部件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的核心熱端部件之一，渦輪部件的材料必須具有高的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和足夠的朔性儲(chǔ)備，高的疲勞強(qiáng)度和低周疲勞性能，良好的耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性，能適應(yīng)高溫下可靠工作的要求，也就是它要有足夠的高溫強(qiáng)度和良好的熱安定性，以及耐蝕能力。渦輪盤用材料多數(shù)是沉淀強(qiáng)化的鐵基或鎳基變形高溫合金，采用直接時(shí)效高溫合金GH4169 材料制造，屬于難切削加工材料，刀具易磨損。因此要求刀具材料在高溫下能保持足夠硬度和良好的耐磨性、耐熱性。本文針對(duì)高溫合金材料難加工的特點(diǎn)進(jìn)行切削加工試驗(yàn)，摸索該材料的加工特性，確定最佳加工工藝路線、切削參數(shù)，研究最適合的刀具材料，不但滿足零件尺寸精度，表面粗糙度和技術(shù)要求，而且要有效的延長(zhǎng)刀具的使用壽命。在滿足零件特殊結(jié)構(gòu)加工的同時(shí)，最大限度的提高加工的經(jīng)濟(jì)性。

2 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

設(shè)計(jì)要求

如圖1 所視為低壓渦輪盤的零件圖。從圖中可以看出該零件是一個(gè)典型的薄壁盤類零件。該零件材質(zhì)較硬，尺寸精度和技術(shù)條件要求高，最大外圓直徑為ф507mm，盤心直徑為ф233mm，毛料為Ⅰ類模鍛件，經(jīng)直接時(shí)效、粗加工并徑超聲波探傷合格后交付，盤的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，內(nèi)外配合表面多，端面上的安裝邊與腹板型面之間形成窄的環(huán)狀型腔，在型腔內(nèi)有大的轉(zhuǎn)接圓弧，加工部位開敞性差；盤的配合面及腹板型面之間的相互位置精度要求高，所以必須研究最佳的工藝路線、確定工藝參數(shù)和選用新型高強(qiáng)度、高耐磨的刀具材料，引用高強(qiáng)度大功率的加工設(shè)備。

3 機(jī)械加工工藝研究

3.1 設(shè)備

車加工數(shù)控設(shè)備選擇大功率四坐標(biāo)加工中心，拉床選用HOFFMANN 數(shù)控高速側(cè)拉床。

3.2 工藝

3.2.1 加工高溫合金材料的刀具選擇及參數(shù)確定

高溫合金在切削加工時(shí)，切削負(fù)荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45 鋼的1.5-2 倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750-1000℃）下，刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損和氧化磨損；加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，已加工表面的硬化程度可達(dá)200%-500%。因此高溫合金的可切削加工性能低，車加工比較困難。通過試驗(yàn)來選擇最佳的刀具的材料和切削參數(shù)是十分必要的。通過陶瓷刀具和涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具切削鐵基粉末冶金工件的對(duì)比試驗(yàn)可知：在相同切削條件下，陶瓷刀具的耐用度高于涂層刀具和硬質(zhì)合金刀具，更適合于鐵基粉末冶金零件的切削加工；在相同切削參數(shù)下，因?yàn)樘沾傻毒叩幕瘜W(xué)穩(wěn)定性較好且與試件的摩擦系數(shù)小，其加工表面粗糙度值小于涂層刀具。在一定的范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給量的增大加工表面的粗糙度值Ra 明顯增大，而切削速度的變化對(duì)粗糙度影響不大；所選用陶瓷刀具加工表面的粗糙度值明顯低于所選用硬質(zhì)合金的加工表面粗糙度值。其原因是，刀具材料的化學(xué)穩(wěn)定性以及與工件之間的摩擦系數(shù)對(duì)加工表面有很大的影響，所選陶瓷刀具的化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于所選硬質(zhì)合金刀具，并且與工件的摩擦系數(shù)較小，因而加工表面粗糙度較好。

3.2.2 車加工難點(diǎn)及解決方法

3.2.2.1 車加工難點(diǎn)

從零件圖2-1 中可以看出，低壓渦輪盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型面點(diǎn)多，尺寸精度要求高，零件的大部分尺寸是在車加工中保證，因此車加工勞動(dòng)量很大，占零件機(jī)械加工總的勞動(dòng)量51%，其中精車工序是設(shè)計(jì)圖要求尺寸的最終形成工序，所以精車工序是車加工重點(diǎn)與難點(diǎn)。在車削加工過程中，由于從毛料到成品有較大的加工余量，因而會(huì)產(chǎn)生較大的切削力。由于受到切削力的影響，零件極易產(chǎn)生加工變形，從而造成零件壁厚難以保證，技術(shù)條件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

在低壓渦輪盤兩端面處各有處環(huán)形槽，加工時(shí)則會(huì)引起應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致零件變形，相關(guān)尺寸37.5 ±0.02、0.1+0.1+0.05、φ450+0.063 0 超差以及相關(guān)技術(shù)條件的不合格，影響組件的裝配，因此工藝規(guī)程的工藝路線合理安排能有效控制零件變形，保證相關(guān)重要尺寸合格。零件篦齒尺寸較小且精度要求較高，進(jìn)行車加工時(shí)篦齒刀易與零件腹板干涉，篦齒角度8°±30′、16°±30′要用刀體的正確安裝為前提保證。

3.2.2.2 解決方法

1、劃分加工階段，合理分配車加工工序的加工余量

針對(duì)加工余量大造成加工應(yīng)力集中引起變形的問題，在制定工藝路線時(shí)采取了劃分加工階段，合理分配各車加工工序的加工余量的辦法，將車加工分為粗加工、半精加工和精加工。在粗加工時(shí)控制進(jìn)刀量不大于0.5mm，通過多次進(jìn)刀完成大余量的去除。這樣有效地減小了加工應(yīng)力，并且精加工留有盡可能小的加工余量，保證成品后加工應(yīng)力較小。

2 合理安排精車工序的路線

由于零件相互位置精度要求高，所以采用一次裝夾加工或用同一基準(zhǔn)定位和找正的方法加工保證。如圖2 所示，此低壓渦輪盤選取輪緣外圓表面和兩側(cè)端面作為精車盤兩側(cè)面的共用工藝基準(zhǔn)，加工時(shí)選用精度高的車床，一次裝夾加工到設(shè)計(jì)圖規(guī)定的尺寸，這種工藝方法能夠獲得好的垂直度和平行度。精車基準(zhǔn)面時(shí)從兩側(cè)端面均勻去余量，以保證精加工表面的加工余量均勻。

如圖3 所示，精車第二面，選用數(shù)控車床，設(shè)計(jì)專用車床夾具裝夾零件，○C○D 為基準(zhǔn)面，壓緊表面○H，為更好的釋放應(yīng)力，防止零件變形，先把端面槽尺寸加工到位，其余部位留取0.2mm 余量，在精車第一面工序后加工到位。

如圖4 所示，精車第一面，選用數(shù)控車床，設(shè)計(jì)專用車床夾具裝夾零件，采用○C○D（共用工藝基準(zhǔn)）為基準(zhǔn)表面，壓緊表面○H。加工中由于型面較長(zhǎng)，故采取接刀方法加工型面和轉(zhuǎn)接R。

如圖5 所示，精車篦齒及型面，選用普通車床，采取統(tǒng)一基準(zhǔn)面和專用車床夾具，進(jìn)行精加工篦齒時(shí)，由于缺少專用篦齒刀，通過篦齒形狀分析畫出篦齒刀形狀，改磨現(xiàn)有刀具，加工中還需要一把對(duì)刀樣板，可用于檢查刀具刃磨質(zhì)量，又可用于安裝刀具時(shí)保證齒形中心線與零件軸線垂直。

3.3 榫槽的拉削加工

由于拉床設(shè)備要求剛性較強(qiáng)，拉刀數(shù)量多，采用了多刀位德國(guó)HOFFMANN 數(shù)控高速側(cè)拉床。通過對(duì)榫槽投影試件及機(jī)床調(diào)整試件的試?yán)?，?jīng)過50 倍投影檢查，調(diào)整了拉刀幾何參數(shù)，使槽型完全滿足設(shè)計(jì)要求。在拉削零件過程中，由于拉削參數(shù)不合理，拉刀出現(xiàn)"崩齒"現(xiàn)象，通過調(diào)試，最終將拉削速度確定在1m/min,粗拉刀齒升量為0.05mm，精拉刀齒升量為0.03mm，有效解決了這一問題。首件拉削后通過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)零件輔板尺寸由于拉削產(chǎn)生的應(yīng)力，向拉削方向產(chǎn)生了0.15-0.20mm 的傾斜變形。在拉具方案上進(jìn)行了調(diào)整，增加了輔助支撐，有效降低拉削變形。

設(shè)計(jì)專用拉床夾具，該夾具只起夾緊盤件及與機(jī)床連接作用。榫槽的進(jìn)氣角，榫槽的分度由機(jī)床上的船型工作臺(tái)和精密分度盤實(shí)現(xiàn) 。拉刀設(shè)計(jì)成采用漸切法、成型法相結(jié)合的方法進(jìn)行拉削，用粗、精共14 把拉刀組合在一起，一個(gè)行程拉削一個(gè)榫槽。第1-7 把拉刀為粗開槽刀，采用漸切法，第8-13 把拉刀為粗拉齒形，采用漸切法，第14 把拉刀為精拉齒形，采用成型法拉削。

合理選用齒升量對(duì)設(shè)計(jì)拉刀十分重要，齒升量過大增加盤件和拉刀變形，切削力增大，從而導(dǎo)致冷作硬化的深度和程度以及表面微觀不平度加大。當(dāng)設(shè)計(jì)粗拉刀時(shí)，在保證拉刀壽命的前提下，盡量選取較大的齒升量，這樣既縮短了拉刀的長(zhǎng)度，又提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。拉刀幾何角度的選擇，是設(shè)計(jì)拉刀中的一個(gè)重要因素。一般粗拉刀齒升量較大，選用較大的前、后角，前角γ=15°～18°后角α=35°。精拉齒行時(shí)，為了增加拉刀的壽命，一般選較小后角，α=1°30′～3°。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究證明，制定合理的工藝路線正確，選擇適合于高溫合金GH4169 材料的車加工的刀具材料和切削參數(shù)，榫槽拉削加工拉刀、夾具設(shè)計(jì)使用正確是保證零件合格的關(guān)鍵。該零件的加工提升了高溫合金渦輪盤類零件的制造技術(shù)水平。

[1]透平機(jī)械現(xiàn)代制造技術(shù)叢書編委會(huì)編.盤軸制造技術(shù)[M].北京科學(xué)出版社.2002.

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[3]孟少農(nóng)主編.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1992

[4]互換性與技術(shù)測(cè)量[M].高等教育出版社.1981.

[5]袁哲俊主編.金屬切削刀具[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1992.