特種加工技術(shù)在航天動(dòng)力系統(tǒng)渦輪盤上的應(yīng)用

蘇云玲 丁金明 周 賀 羅遠(yuǎn)鋒 王曉偉

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特種加工技術(shù)在航天動(dòng)力系統(tǒng)渦輪盤上的應(yīng)用

蘇云玲 丁金明 周 賀 羅遠(yuǎn)鋒 王曉偉

（北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京100074）

以某航天發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤榫槽的加工為例，針對(duì)零件材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及技術(shù)要求，分析了慢走絲線切割加工工藝在渦輪盤榫槽加工中的應(yīng)用情況，并與傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出了特種加工技術(shù)在航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的優(yōu)勢(shì)。在研究慢走絲線切割加工工藝特點(diǎn)及工藝規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套適用的新加工工藝方法及加工參數(shù)，給出了實(shí)現(xiàn)整盤加工的技術(shù)手段。為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤榫槽的精密加工開辟了新思路。

航天動(dòng)力系統(tǒng)；渦輪盤；榫槽；慢走絲；精密加工

1 引言

渦輪盤是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最為苛刻、最為重要的熱端部件之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪關(guān)鍵部件的核心零件，其性能直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。在運(yùn)行過(guò)程中，工作葉片和輪盤在高溫高速燃?xì)獾耐苿?dòng)作用下高速旋轉(zhuǎn)，作用于其上的力有離心拉應(yīng)力、動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力、氣流彎曲應(yīng)力和壓差力。葉片榫頭通過(guò)鎖葉鍵與輪盤榫槽裝配，工作時(shí)動(dòng)態(tài)接觸，依靠接觸壓力和接觸摩擦力保證葉片不從輪盤滑脫。接觸狀態(tài)隨運(yùn)行時(shí)間、工況、配合間隙以及其他許多隨機(jī)因素的改變而變化，接觸部位的應(yīng)力應(yīng)變情況十分復(fù)雜。這對(duì)于榫槽型面輪廓精度及其表面質(zhì)量都提出了很高的要求。

傳統(tǒng)行業(yè)內(nèi)，為了保證加工精度，渦輪盤榫槽多采用拉削的方法完成加工。但因?yàn)槔缎螤顝?fù)雜，制造成本較高，同時(shí)受到專業(yè)設(shè)備的客觀限制，拉削工藝方法難以在軍工企業(yè)得到普及、推廣，多數(shù)都依靠外協(xié)廠家完成，產(chǎn)能受到較大牽制。積極尋求探索可替代的加工工藝方法對(duì)于進(jìn)一步提高軍工企業(yè)的自主研發(fā)能力，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。

慢走絲加工技術(shù)作為特征加工技術(shù)的典型代表，具有加工精度高、成本低的顯著優(yōu)勢(shì)[1]。但因?yàn)闊嵊绊憣拥拇嬖?，加工表面容易產(chǎn)生重鑄層、微裂紋等缺陷，而這些缺陷將是影響渦輪盤性能和壽命的關(guān)鍵因素，甚至導(dǎo)致致命損失。應(yīng)用慢走絲加工技術(shù)進(jìn)行渦輪盤榫槽的加工，在采取技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)整盤加工的同時(shí)，還要針對(duì)電加工參數(shù)對(duì)于加工表面質(zhì)量及尺寸精度等的影響規(guī)律開展研究，保證其加工表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。

2 渦輪盤的整盤精密加工技術(shù)方案

當(dāng)把慢走絲線切割加工工藝應(yīng)用于渦輪盤榫槽的加工時(shí)，因?yàn)槭艿郊庸し椒?、設(shè)備功能等方面的客觀限制，多數(shù)線切割設(shè)備本身不具有精確分度功能。部分配備附件A軸的設(shè)備，因?yàn)锳軸尺寸限制，也不能實(shí)現(xiàn)渦輪盤的整盤分度功能。所以要實(shí)現(xiàn)渦輪盤的整盤線切割，首先要解決的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)渦輪盤加工過(guò)程中的精確分度功能。傳統(tǒng)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行慢走絲加工榫槽時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)分度，往往通過(guò)在定位座上加工出一個(gè)定位孔，在分度盤上加工出相應(yīng)數(shù)量的分度孔，并使用銷釘進(jìn)行分度和定位。傳統(tǒng)分度定位裝置如圖1所示。

1—分度盤 2—定位銷 3—定位盤

為了實(shí)現(xiàn)渦輪盤榫槽切割中的精確分度，設(shè)計(jì)了專用工裝裝置（該裝置已申請(qǐng)專利，專利號(hào)：201518002132.0）。該裝置主要由1、2、3、4、5五部分組成，其中1為工裝底座，用于連接慢走絲設(shè)備工作臺(tái)與工裝裝置，并實(shí)現(xiàn)該工裝裝置在設(shè)備上的安裝和定位；2為分度裝置，為精密手動(dòng)分度頭，標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件，連接1工裝底座與3工件定位芯軸，實(shí)現(xiàn)工件繞中心軸線的旋轉(zhuǎn)和角度分度及定位；3為工件定位芯軸，連接工件和2精密手動(dòng)分度頭，實(shí)現(xiàn)工件加工過(guò)程中的精確定位；4為夾緊裝置，用于連接工件與3工件定位芯軸并夾緊；5為基準(zhǔn)找正裝置，與工裝底座相連接，用于加工前的基準(zhǔn)找正。具體組成結(jié)構(gòu)及工裝裝夾示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 定位裝置示意圖

圖3 渦輪盤裝夾示意圖

該裝置主要用于實(shí)現(xiàn)以下功能：

a. 通過(guò)定位芯軸保證工件在該裝置上的精確定位，并實(shí)現(xiàn)工件在鎖緊前的粗定位；

b. 通過(guò)基準(zhǔn)找正裝置簡(jiǎn)化加工基準(zhǔn)的確定和轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高基準(zhǔn)找正精度。

c. 通過(guò)精密手動(dòng)分度頭實(shí)現(xiàn)工件在加工過(guò)程中的精確分度，避免人為操作誤差的影響；

d. 可用于電加工操作，精密分度盤無(wú)須浸入電介質(zhì)，避免長(zhǎng)時(shí)間浸泡造成分度盤精度下降、出現(xiàn)銹蝕、油封卡死等問(wèn)題。

3 數(shù)控程序的編制

在渦輪盤的工程設(shè)計(jì)中，榫槽輪廓尺寸及其形位公差是以盤面為基準(zhǔn)指定一個(gè)距離并沿榫槽表面的法向方向給出的，即榫槽理論輪廓位于與榫槽傾斜方向垂直的法截面上。而在慢走絲線切割的多軸編程計(jì)算中，程序數(shù)據(jù)點(diǎn)及刀路軌跡通過(guò)電極絲上固定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致無(wú)法在程序編制中直接引用設(shè)計(jì)尺寸，須將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、換算，從而轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)電極絲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的編程數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)程序的編制和執(zhí)行。針對(duì)渦輪盤榫槽輪廓的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的投影換算，投影換算原理示意圖如圖4所示。

圖4 榫槽輪廓投影計(jì)算

設(shè)榫槽截面理論輪廓上尺寸為，為榫槽傾斜角，為榫槽截面中心對(duì)稱點(diǎn)到輪盤端面的距離。則投影后的輪廓為尺寸為

=/cos（1）

將設(shè)計(jì)圖紙上給出的榫槽輪廓尺寸通過(guò)此公式轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的線性尺寸與圓弧尺寸相連，即可獲得所需的投影尺寸。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸公差要求對(duì)轉(zhuǎn)化后的輪廓尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4 電規(guī)準(zhǔn)的選擇

開槽和粗加工在整個(gè)加工過(guò)程中所占比重較大，因此加工效率是衡量電規(guī)準(zhǔn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于精加工來(lái)說(shuō)，要求電規(guī)準(zhǔn)的選擇能夠滿足表面粗糙度、重鑄層厚度要求。

表1 水平參數(shù)

表2 L9(34)正交表格

為了獲得適用于工件材料的電規(guī)準(zhǔn)，采用正交法對(duì)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)預(yù)選出的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。以確保切割效率的參數(shù)優(yōu)化為例，對(duì)（放電電流）、（放電功率）、Ppos（正脈沖）、Pneg（負(fù)脈沖）四個(gè)方面因素考慮進(jìn)行的正交試驗(yàn)法過(guò)程如表1、表2所示。

按照正交試驗(yàn)法的結(jié)果分析原則，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，四個(gè)因素對(duì)切割效率的影響程度如圖5所示。

圖5 四因素影響分析圖

從分析結(jié)果來(lái)看，各因素對(duì)于加工速度的影響程度依次為：、Pneg、、Ppos。

通過(guò)同樣的方法進(jìn)行試切實(shí)驗(yàn)、精度檢測(cè)和重鑄層檢測(cè)，對(duì)各因素對(duì)加工精度和表面質(zhì)量的影響程度進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化組合，進(jìn)而獲得了適用于高溫合金材料榫槽慢走絲線切割的電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)。如表3所示。

表3 適用于高溫合金榫槽慢走絲線切割的電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)

5 渦輪盤整盤加工工藝規(guī)劃

圖6 粗加工工藝方案

渦輪盤榫槽的加工工藝過(guò)程大致劃分為粗加工和精加工兩個(gè)工步。其中，粗加工的目的是充分釋放應(yīng)力，減小變形對(duì)精加工的影響。通過(guò)在輪廓周邊留出適當(dāng)?shù)募庸び嗔?，并采用?duì)稱切割的方法完成粗加工。為了達(dá)到粗加工的目的，同時(shí)盡可能提高切削效率，粗加工后的榫槽輪廓應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化。粗加工工藝方案如圖6所示。

精加工與粗加工在一次裝夾中完成，采用直徑為0.2mm的電極絲，從粗加工順序的第一個(gè)槽開始，從盤體外開始逆時(shí)針起絲切割，如圖7所示。若加工余量滿足要求，精加工過(guò)程可以順序完成所有榫槽的切割。

圖7 電極絲精加工軌跡

在整盤加工工藝中，根據(jù)輪盤的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)切割過(guò)程中的變形進(jìn)行量化，并在此基礎(chǔ)上合理分配粗加工和精加工的余量，使粗加工留出的切割余量能夠滿足加工要求。在精加工過(guò)程中，為了保證榫槽的輪廓精度及切割表面的表面質(zhì)量，須對(duì)精切工步進(jìn)一步細(xì)化，并選擇適合的電規(guī)準(zhǔn)。

6 榫槽輪廓度檢測(cè)

榫槽輪廓的檢測(cè)可以采用投影法、數(shù)字成像、三坐標(biāo)檢測(cè)法等，在專業(yè)加工領(lǐng)域，采用較多的檢測(cè)方法是投影法或數(shù)字成像法，具體操作方法是先依據(jù)理論輪廓曲線畫出上下偏差曲線作為公差帶，然后通過(guò)專用投影儀分別將理論輪廓及其公差帶曲線、實(shí)際榫槽輪廓投影到屏幕上，根據(jù)實(shí)際榫槽輪廓線是否位于公差帶內(nèi)判定輪廓加工精度是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。此種方法的優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)單、方便、直觀，對(duì)于有批量的生產(chǎn)而言成本較低，經(jīng)濟(jì)性好。

而對(duì)于輪廓曲線曲率較大的榫槽，也可以通過(guò)選取適合的測(cè)針，在三座標(biāo)測(cè)量?jī)x上進(jìn)行輪廓精度的檢測(cè)。通常是隨機(jī)選取多個(gè)榫槽中的幾個(gè)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)給定的理論三維造型比較、分析，從而判定輪廓度是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。此種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單、直觀，精度較高，適合于非專業(yè)榫槽加工。

在此應(yīng)用過(guò)程中，采用三座標(biāo)檢測(cè)法完成了渦輪盤的榫槽輪廓檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果示意圖如圖8所示。檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 榫槽輪廓度三座標(biāo)測(cè)量結(jié)果示意圖

7 重鑄層厚度檢測(cè)與分析

慢走絲線切割表面重鑄層的存在將顯著降低加工表面的斷裂疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致工作中的渦輪盤在高溫、高速、高載荷的高強(qiáng)度環(huán)境下容易發(fā)生疲勞斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。所以在渦輪盤的慢走絲加工工藝中，重鑄層的厚度檢測(cè)是考核電加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖9 GH720材料重鑄層形貌示意圖

圖11 參數(shù)匹配后的GH720材料加工表面形態(tài)

圖12 參數(shù)匹配后的GH4169材料加工表面形態(tài)

為了進(jìn)行再鑄層的檢測(cè)，將加工試件制作成晶相試片，制作前用20ml硝酸腐蝕了5min。通過(guò)使用相同的放電參數(shù)切割不同材料，觀測(cè)到了重鑄層的不同特點(diǎn)。如GH720與GH4169兩種材料在相同電規(guī)準(zhǔn)下產(chǎn)生的重鑄層特征如圖9、圖10所示。通過(guò)電規(guī)準(zhǔn)的研究與匹配，采用最優(yōu)放電參數(shù)分別切割兩種材料時(shí)，檢測(cè)結(jié)果顯示，通過(guò)工藝研究后獲得的電規(guī)準(zhǔn)加工的表面重鑄層最大厚度在0.005mm以下，能夠滿足設(shè)計(jì)要求中再鑄層不大于0.007mm的要求。其實(shí)物檢測(cè)圖片分別如圖11、圖12所示。

8 結(jié)束語(yǔ)

a. 通過(guò)專用工裝裝置中工裝底座與精密分度盤的結(jié)合使用，避免人為誤差影響，保證精確分度；通過(guò)基準(zhǔn)找正裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)找正過(guò)程的簡(jiǎn)化，并保證找正精度；通過(guò)夾緊定位裝置，保證工件的快速準(zhǔn)確定位；通過(guò)下懸式工裝橋架的設(shè)計(jì)，保證工件位于精密分度盤的下方，并保持一定距離，從而可以長(zhǎng)期應(yīng)用于電加工。

b. 針對(duì)渦輪盤榫槽的慢走絲數(shù)控程序編制，根據(jù)榫槽分布特征，通過(guò)投影、計(jì)算、優(yōu)化，對(duì)理論輪廓尺寸及其公差進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，從而在保證加工可實(shí)現(xiàn)性的同時(shí)確保滿足設(shè)計(jì)精度指標(biāo)。

c. 給出了確定電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)的正交計(jì)算過(guò)程，通過(guò)此方法可以確定適用的電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)，在保證加工精度的同時(shí)提高切割效率。

d.給出了渦輪盤榫槽整盤加工的工藝方案，輪廓單邊留出適當(dāng)?shù)挠嗔亢笙冗M(jìn)行粗加工，并盡量簡(jiǎn)化開槽輪廓，可在有效釋放應(yīng)力的同時(shí)保證粗加工效率。同時(shí)通過(guò)對(duì)稱法加工，可有效減小應(yīng)力變形，保證輪廓精度。

e.通過(guò)重鑄層厚度的檢測(cè)，進(jìn)一步確定慢走絲線切割加工工藝方法可以滿足渦輪盤榫槽的加工精度和使用性能要求，是一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉削工藝的新型加工工藝方法。

1 周旭光. 特種加工技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004

Application of Special Machining Technology on Turbine Disk of Space Power System

Su Yunling Ding Jinming Zhou He Luo Yuanfeng Wang Xiaowei

(Beijing energy machine institute, Beijing 100074)

Taking the processing of an aerospace engine turbine disk as an example, the application of WEDM process in the machining of the turbine disk is analyzed according to the requirements of material properties, structure characteristics and technology. Compared with the traditional processing methods, the advantages of the special processing technology in aerospace engine manufacturing are summed up. Based on the research on the characteristics and processing process rules of the cutting process, a set of new processing methods and processing parameters are summed up through the experimental research, and the technical means are given to realize the whole plate processing. It opens up a new approach for the precise machining of turbine disk mortise and tenon for aerospace engines.

aerospace power system；turbine disk；mortise；EDM；precision machining

蘇云玲（1976），高級(jí)工程師，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：復(fù)雜曲面葉輪類零件的五軸數(shù)控精密電化學(xué)銑削加工。

2017-06-14