基于鑄造鎳基高溫合金K418的某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪數(shù)控加工工裝研究

趙敏 郭友利

摘要：基于高溫合金具有較好的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性能，能夠在高溫氧化環(huán)境下持續(xù)工作，目前已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，特別是航天、航空、造船、汽車等領(lǐng)域。筆者單位某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵零件渦輪，采用鎳基高溫合金鑄造后車削加工而成，其加工質(zhì)量和精度直接影響該型發(fā)動(dòng)機(jī)推力、增壓比、油耗、壽命等性能指標(biāo)。為保證其加工質(zhì)量，成立工藝攻關(guān)小組，本文主要就該種渦輪的數(shù)控加工工裝及其設(shè)計(jì)原理進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金;渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪;鑄件數(shù)控加工;工裝設(shè)計(jì)

1概述

1.1產(chǎn)品概述

該渦輪零件在精密鑄造毛坯基礎(chǔ)上加工而成，葉片位置不加工，零件外形特性。

1.2產(chǎn)品材質(zhì)及特性

該零件材質(zhì)為K418高溫合金。特性：高溫合金的切削加工時(shí)國(guó)際公認(rèn)的加工難題，切削加工性極差，導(dǎo)熱性低，加工硬化嚴(yán)重，切削時(shí)材料與刀具粘接嚴(yán)重。因其抗斷裂性、持久塑性及強(qiáng)化高，導(dǎo)致在切削加工中產(chǎn)生巨大的塑性變形，造成嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，材料硬度可達(dá)200-500%，在剪切面上切應(yīng)力高，切削力大，可達(dá)45鋼的2-3倍，切削溫度可達(dá)750-1000℃。其化學(xué)成分與材料性能如下表：

1.3加工難度

①材質(zhì)切削加工困難;②鑄造毛坯一致性偏差大;③零件非加工表面不得有劃傷;④毛坯件加工裝夾位置尺寸不一致;⑤原始加工裝夾困難且校正時(shí)間較長(zhǎng)。

2加工工藝研究

工藝路線特點(diǎn)：采用新工藝、新設(shè)備、新工裝后，實(shí)行鉗工、車工分工配合，并且對(duì)操作者技能要求大大降低（初級(jí)工即可操作），不需要定人、定崗，通過優(yōu)化生產(chǎn)配置，可實(shí)現(xiàn)該零件的批產(chǎn)需求。通過新型加工方式，進(jìn)一步提高渦輪的加工精度、加工效率及加工表面質(zhì)量。

3加工工裝研究

3.1方案

按照工藝路線，工裝設(shè)計(jì)有渦輪基準(zhǔn)鉗工調(diào)試工裝和渦輪數(shù)車工裝，工裝采用模塊化設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)有渦輪軸心調(diào)整機(jī)構(gòu)、渦輪壓緊機(jī)構(gòu)、渦輪垂直度調(diào)整機(jī)構(gòu)，各種機(jī)構(gòu)獨(dú)立作用于渦輪不同部位，可以迅速便捷的限制渦輪的6個(gè)自由度完成基準(zhǔn)定位。

該渦輪零件毛坯由于是鑄造成型，毛坯凸臺(tái)的尺寸及跳動(dòng)鑄造偏差達(dá)到±0.3mm，導(dǎo)致零件加工基準(zhǔn)無法采用兩側(cè)毛坯凸臺(tái)。故改零件軸心定位基準(zhǔn)選擇ф125±0.35葉片基圓位置，軸線法線基準(zhǔn)為葉片端面。渦輪基準(zhǔn)采用工裝定位，在鉗工調(diào)整專用平臺(tái)上架設(shè)百分表校驗(yàn)ф125±0.35葉片基圓位置，通過渦輪軸心調(diào)整機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)打表校核調(diào)整渦輪零件軸心，跳動(dòng)值在±0.1mm以內(nèi)，并用渦輪壓緊機(jī)構(gòu)預(yù)壓緊。

圖2

鉗工校準(zhǔn)后的工裝轉(zhuǎn)移至數(shù)控加工車間，由數(shù)車操作人員將零件整體裝配在數(shù)控車床卡盤轉(zhuǎn)接定位盤后直接按照程序加工。

3.2創(chuàng)新點(diǎn)

原工藝及加工方法采用普通車床加工，校準(zhǔn)方式采用機(jī)床四爪卡打表校核，采用該工裝的工藝路線是，在裝配到機(jī)床加工前鉗工已經(jīng)校核完畢，零件和工裝整體裝配在數(shù)控車床上開始加工。校準(zhǔn)方式通過渦輪軸心調(diào)整機(jī)構(gòu)及渦輪垂直度調(diào)整機(jī)構(gòu)微調(diào)，從而使零件位置度達(dá)到圖紙要求，校核時(shí)間較之前減少幅度很大。

3.2.1輪軸心調(diào)整機(jī)構(gòu)：

采用螺旋測(cè)微頭頂桿調(diào)整推塊進(jìn)給量，測(cè)微頭每轉(zhuǎn)一圈，頂桿進(jìn)給1mm，彈簧用于調(diào)整后推塊自動(dòng)復(fù)位，采用該機(jī)構(gòu)，可以精確控制進(jìn)給量，完成渦輪軸心微調(diào)操作。

3.2.2渦輪垂直度調(diào)整機(jī)構(gòu)：

渦輪垂直度調(diào)整機(jī)構(gòu)采用楔塊進(jìn)給原理，通過四組該機(jī)構(gòu)整體調(diào)整渦輪葉片，從而達(dá)到渦輪整體相對(duì)于工裝的垂直度要求。內(nèi)六角螺釘旋轉(zhuǎn)一圈，渦輪葉片支撐頂塊上升0.125mm，上升與進(jìn)給比例為1/10。該機(jī)構(gòu)滿足渦輪葉片位置微調(diào)操作。

4成果

加工效率：該工裝設(shè)計(jì)原理采用鉗工與數(shù)車分工配合，優(yōu)化生產(chǎn)模式加工時(shí)間由傳統(tǒng)加工2340min降低至1905min。效率提升18.59%。

加工質(zhì)量：渦輪單面不平衡量和導(dǎo)風(fēng)輪雙面不平衡量是影響產(chǎn)品加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，其數(shù)值越小，加工質(zhì)量越高，從而后續(xù)動(dòng)平衡修配量越小，動(dòng)平衡操作時(shí)間越短。其不平衡量由原始加工平均300g.mm提升至182g.mm。

渦輪產(chǎn)量保證：渦輪零件傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜、產(chǎn)品毛坯價(jià)格昂貴、對(duì)于加工操作者技能要求很高。采用新工藝、新設(shè)備、新工裝后對(duì)操作者技能要求大大降低，產(chǎn)能可達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量要求。

5結(jié)論

通過對(duì)渦輪零件的新型加工工裝研究，完成普車到數(shù)車的跨越，從而縮短了生產(chǎn)制造周期，提高了生產(chǎn)效率和加工精度，減少了以往傳統(tǒng)加工方式的誤差。為后續(xù)研發(fā)和生產(chǎn)不同型號(hào)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該種加工技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛，并朝著更高的精度，更高的效率，更高的工藝范圍方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭文虎，張玉林，詹明榮.難切削加工技術(shù)問答[M].北京：北京出版社，2001

（作者單位：南京模擬技術(shù)研究所）