渦輪葉片榫頭側面自動化倒圓技術研究

武志勇　張平　閆德海

[摘 要]渦輪葉片榫頭側面自動化倒圓是葉片完整性制造的一項重要內容。低壓渦輪葉片榫齒側面倒圓目前為手工加工，存在倒圓不均勻現象，易產生應力集中點。本文以某低壓渦輪工作葉片為載體，概括總結了某低壓工作葉片自動化倒圓加工方法，解決了葉片手工倒圓不均的問題，對以后加工同類型的零件具有指導和借鑒意義。

[關鍵詞]榫頭 表面完整性 倒圓 渦輪葉片

中圖分類號：TG231.1 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2018）02-0246-01

航空發(fā)動機制造技術是航空工業(yè)的關鍵技術，航空構件中疲勞失效占80%以上，特別是飛機、發(fā)動機的關鍵構件，疲勞是安全服役的最大的失效模式，而疲勞源絕大多數情況萌生于零件表面，80%以上的疲勞裂紋起始于切削加工刀痕、劃傷、組織損傷、夾雜物及其它表面缺陷造成的應力集中處。所以要提高航空發(fā)動機服役壽命，必須開展提高表面完整性和提高疲勞強度的先進制造技術的攻關和推廣應用，逐步突破長壽命、高可靠性關鍵構件的技術研究壁壘，提高發(fā)動機的服役壽命。

榫頭端面倒圓是葉片表面完整性重要內容，現階段葉片榫頭機加表面的尖邊倒圓都是手工完成，由于齒型不規(guī)則，邊緣處理后的效果好壞很大程度上取決于操作者個人的技術技能和責任心，手工倒圓的缺點有以下幾點：

（1）倒圓處理后的幾何形狀和表面質量完整性、一致性差，易產生應力集中點，造成疲勞斷裂；（2）由于操作過程中操作、防護不當，造成靠近零件處理表面處附帶損傷；（3）由于操作過程控制不嚴，造成零件表面去除余量不足、局部過熱破壞金相組織等現象。

通過依托數控銑設備，以某低壓渦輪工作葉片為載體，開展榫齒棱邊機械自動化倒圓光整工藝試驗，突破渦輪葉片榫齒尖邊機械化加工技術，提高倒圓加工表面完整性。

1 葉片結構及加工難點分析

在航空燃氣發(fā)動機中，渦輪葉片是極其重要的零件，承擔著機內能量轉換的重要作用，是發(fā)動機能夠實現熱力循環(huán)的關鍵零件，其加工質量直接影響發(fā)動機的工作可靠性。該渦輪葉片由榫齒（單齒）、葉身、鋸齒冠組成，葉片具有葉身超薄、狹窄、細長、剛性差、易變形的特點，榫齒齒型為單齒縱樹型。

1.1 表面完整性

榫頭端面倒圓是葉片表面完整性重要內容，由于齒型不規(guī)則，造成加工后表面圓角不均勻，易產生應力集中點，造成疲勞斷裂，嚴重影響零件的疲勞壽命。通過榫頭端面自動化倒圓技術研究，改進加工方法，完成基于自動化倒圓的工藝參數的優(yōu)化，提高抗疲勞性能，延長使用壽命。

1.2 改進方案制定

以某低渦工作葉片為研究對象，分別在兩種設備上選用三種刀具進行了兩種不同走刀路徑的數控銑工藝試驗，通過試驗確定了可行的數控銑工藝方案。倒圓試驗工作完成后，確定了合理的加工參數，形成加工工藝并推廣應用到其他級葉片加工。

2 加工難點及試驗

2.1 研制加工的難點

1）由于葉片榫齒母線為不規(guī)則曲線，并且榫頭端面與榫齒中心平面有角度，端面角度一側為銳角，另一側為鈍角，并且受榫齒加工各技術要求影響，難度加工大。2）該項技術目前沒有應用，加工經驗不成熟并且加工效率低。

2.2 需完成以下工作

1）確定合理數控銑加工倒圓走刀方案。2）完成了倒圓夾具設計制造工作。3）確定合理數控銑加工后光飾方案。

2.3 試驗過程及參數選擇

2.3.1 夾具的設計

夾具與機床連接方案為采用￠25圓柱夾持，以方便反轉加工，夾具定位為榫頭工作面和榫頭頂端，定位部位為榫頭中間的部位，兩端露出2mm用于倒圓加工，齒頂部位設計3°方便裝夾，榫頭定位及夾緊設計成一體的，以提高定位精度。

2.3.2 榫頭端面倒圓加工試驗

根據榫齒尺寸兩端面沿齒型倒圓R0.2～R0.6mm。

選擇設備：機電院4軸數控銑床

冷卻方式：強力跟蹤冷卻

由于R尺寸較?。≧0.8），刀具選擇難度大，高渦合金材料加工性極差，尺寸精度不易控制，因此，如何應用高速切削技術和加工精度控制技術，通過優(yōu)化數控加工工藝達到小R尺寸精度要求圓弧端齒數控加工亟待突破的技術關鍵。根據齒槽尺寸分析，選擇Φ2合金刀進行加工較為合適。

利用三維模型編制程序依據技術文件中所給的刀具中心與半徑，沒有這兩個參數，是不可能建立一個圓弧端齒的數字化模型的。通過數字化模型的建立過程，最終得出一個結論：進行數控加工，編制程序所需的模型創(chuàng)建是一個關鍵，模型的預處理，模型編程輔助特征元素的建立對程序編制的方便性起決定性的作用。

在刀具確定的基礎上，采用UG模型編程。在保證零件加工精度和粗糙度的同時，盡量減少程序段，縮短走刀路線，減少空程，提高加工效率，減少加工時間。針對這個原則，按齒型端面形線編制出一條連續(xù)無抬刀的螺旋走刀軌跡，見圖1。

目前通過試驗確定了可行的數控銑工藝方案，并在某五坐標數控銑床上完成了46件葉片的加工驗證試驗。

2.3.3 倒圓后光飾

由于設計要求各榫齒在兩端倒圓R0.2～0.6，不允許留有橫向加工痕跡，數控銑榫頭端面倒圓后轉接處有接刀痕跡，后續(xù)分別在光整設備上開展了振動光整試驗和在機電院五坐標數控銑床上開展了刷式光整嘗試性試驗。試驗證明兩種方式均是可行的。但由于振動光飾加工效率較低，因此應用樹脂拋光輪進行光飾加工。采用立德研磨磨料廠樹脂拋光輪進行榫頭端面光飾試驗，先對樹脂拋光輪進行修型，然后在拋光機應用榫頭形狀樹脂拋光輪對榫頭端面進行光飾加工能夠很好的去除數控銑榫頭端面倒圓后轉接處有接刀痕跡。手工倒圓和機械倒圓效果對比見圖2。

3 試驗中存在問題

由于夾具制造較晚，當前沒有可倒圓葉片加工，只能用試件進行試驗，數控銑倒圓設備不足，影響試驗工作按時完成。

4 結論

為了更好的推進該項技術應用工作，我們今后應加強組織運作，構建組織機構并制定工作目標，最終形成工藝與設計相匹配的工藝技術，并將其固化到生產過程中，為提高零件表面完整性而努力工作。

1）采用數控技術加工出的榫齒倒圓葉片能夠滿足零件的精度指標及新機研制的需要，證明圓弧端齒數控加工工藝具有可行性。2）本項目針對航空發(fā)動機渦輪葉片作為研究對象，開展榫齒倒圓加工技術研究，該項技術的突破，填補了國內該領域的技術空白。

參考文獻

[1] 《透平機械現代制造技術叢書》葉片制造技術

[2] 《機械加工工藝手冊》機械工業(yè)出版社

作者簡介

武志勇（1981.10-），男，工程師，遼寧省沈陽人，現任中國航發(fā)黎明葉片加工廠技術科長，2003年畢業(yè)于南京航空航天大學機械工程及自動化學士學位專業(yè)，主要從事航空發(fā)動機葉片的研制及相關技術管理工作。endprint