某新機四級渦輪盤變形控制技術(shù)研究

邊景全++萬秀屏++宋奪

摘 要：某新機是新一代高性能發(fā)動機，低壓四級渦輪盤是發(fā)動機中渦輪轉(zhuǎn)子中的核心轉(zhuǎn)動部件，因受零件結(jié)構(gòu)限制，其加工時易產(chǎn)生變形，零件合格率低。通過優(yōu)化渦輪盤加工工藝路線、加工余量及切削路徑，控制切削參數(shù)，提高零件加工質(zhì)量，提高零件合格率。

關(guān)鍵詞：渦輪盤；變形控制；工藝方案；修復(fù)加工

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

0.引言

隨著航空發(fā)動機的性能、可靠性及推重比要求的不斷提高，其結(jié)構(gòu)上廣泛采用薄壁結(jié)構(gòu)，以減輕自重，所以盤類結(jié)構(gòu)零件的腹板厚度越來越薄，零件的加工變形問題凸顯。本文從影響薄壁渦輪盤加工變形的因素出發(fā)，制定了減小薄壁渦輪盤加工變形的工藝方案，通過調(diào)整、優(yōu)化渦輪盤加工工藝方案、加工余量及切削路徑，控制切削參數(shù)，降低機械加工應(yīng)力，減小零件機加后變形，研究精車加工后的修復(fù)加工工序，提高零件加工精度和尺寸合格率。

1.零件工藝分析

某發(fā)動機低壓四級渦輪盤是大直徑帶有雙翼安裝邊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的環(huán)形薄壁盤件，具有尺寸精度高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、薄壁剛性差、材料難加工等特點，是全新結(jié)構(gòu)的渦輪盤。其主要結(jié)構(gòu)：帶有140個燕尾形榫槽，盤心孔等直徑配合表面，兩側(cè)安裝邊與輪盤兩側(cè)腹板形成了大深度半封閉型腔，型腔徑向深度達40mm，安裝邊內(nèi)表面與輪轂端面軸向開口寬度只有20mm，敞開性極差，加工中進退刀困難，需要多把刀具轉(zhuǎn)接才能完成加工，加工質(zhì)量不易保證。輪盤兩側(cè)雙翼安裝邊厚度2.6mm，兩端面平行度0.05，由于雙翼懸臂較長，錐壁厚僅為2.4mm，加工中極易產(chǎn)生變形，使得雙翼安裝邊內(nèi)外型面加工難度增大。輪盤腹板為不等厚結(jié)構(gòu)，靠多處坐標(biāo)值控制腹板厚度，腹板最薄處壁厚僅為2.5mm。各型面轉(zhuǎn)接處為多圓弧與錐面轉(zhuǎn)接，要求轉(zhuǎn)接圓滑，且有輪廓度要求，如圖1所示。

2.變形控制加工工藝路線設(shè)計

渦輪盤毛坯采用模鍛件，材料為GH4169，熱處理狀態(tài)為時效。通過對零件進行特殊結(jié)構(gòu)、難加工材料分析，根據(jù)以往加工經(jīng)驗制定雙翼安裝邊結(jié)構(gòu)渦輪盤主要加工工藝流程如下：

毛料圖表→車超聲波檢查面→超聲波檢查→粗車→細車基準(zhǔn)→細車→清洗→腐蝕檢查→消除應(yīng)力熱處理→修復(fù)端面→精車→電解標(biāo)印→鏜定位孔→拉榫槽→銑花邊→鏜孔→孔邊去毛刺→清洗→中間檢驗→消除應(yīng)力熱處理→熒光檢查→清洗→噴丸→噴丸后磨加工修復(fù)端面……→包裝入庫。

通過收集摸索影響零件變形主要因素的數(shù)據(jù)分析對比，優(yōu)化調(diào)整了工藝路線，主要增加了粗車后消除應(yīng)力熱處理、精車后修復(fù)第一面、中間檢驗前磨加工修復(fù)工序。增加粗車型腔去余量和粗車后消除應(yīng)力熱處理工序，半精車由普車改進為數(shù)控加工，精車加工后增加一道修復(fù)工序，重新調(diào)整了加工余量、加工順序和易變形的軸向尺寸等工藝改進措施，提高定位面平面度；采用噴丸前的基準(zhǔn)端面修復(fù)加工的工藝，為了避免因修復(fù)余量不足，在噴丸后修復(fù)工序無法修復(fù)軸向尺寸，在前邊的精車工序多留余量，又受噴丸后只允許去除0.1mm余量的限制，所以在噴丸前安排一道磨加工修復(fù)工序。通過實際加工驗證，以上工藝措施在減小渦輪盤加工變形提高質(zhì)量方面，具有較顯著效果。優(yōu)化調(diào)整后的工藝路線如下：

毛料圖表→車超聲波檢查面→超聲波檢查→粗車→粗車后消除應(yīng)力熱處理→細車基準(zhǔn)→細車→清洗→腐蝕檢查→消除應(yīng)力熱處理→修復(fù)端面→精車→精車后修復(fù)第一面→電解標(biāo)印→鏜定位孔→拉榫槽→銑花邊→鏜孔→孔邊去毛刺→中間檢驗前磨加工修復(fù)→清洗→中間檢驗→熱處理前車加工修復(fù)→消除應(yīng)力熱處理→熒光檢查→清洗→噴丸→噴丸后磨加工修復(fù)端面……→包裝入庫。

3.車削加工

3.1 精加工主要加工過程

渦輪盤精加工由于受零件壁厚薄、型腔窄等結(jié)構(gòu)限制，需要多次換刀轉(zhuǎn)接加工，以保證刀具進退中不與零件發(fā)生干涉及接刀處轉(zhuǎn)接圓滑，在數(shù)控編程時，通過模擬仿真確定走刀軌跡和加工順序。精加工時零件安裝邊壁厚和內(nèi)腔腹板處約2.5mm～2.6mm，在加工中零件易產(chǎn)生變形，而且在加工安裝邊與斜壁、腹板與斜壁等的轉(zhuǎn)接圓弧R時，容易形成加工盲區(qū)，必須配以專用刀桿，規(guī)避干涉現(xiàn)象；且零件薄壁剛性差，加工時刀具懸伸長，容易產(chǎn)生振刀現(xiàn)象，綜合考慮上述因素，在去除余量時，采用多次進刀，控制吃刀深度，同時保證刀具鋒利，冷卻充分，在加工余量剩余0.2mm～0.3mm時，注意更換新刀片，以減小零件變形。

3.2 切削參數(shù)

Vc=15-25r/min，f=0.11～0.22mm/r，Ap=0.3mm。

結(jié)論

以某新機四級渦輪盤為載體，優(yōu)化調(diào)整了加工工藝路線和工藝方案，固化工藝參數(shù)，增加修復(fù)加工工序等工藝改進措施，零件尺寸合格率由原80%提高到95%，完成了零件的批量加工和交付，大幅度地提高了渦輪盤的加工質(zhì)量和表面完整性。

參考文獻

[1]王聰梅.航空發(fā)動機典型零件機械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[2]透平機械現(xiàn)代制造技術(shù)叢書編委匯編.盤軸制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.