渦輪盤榫槽加工工藝及變形控制方法研究＊

于建華 李 勛 丁志純

（①中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241；②北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的熱端承力部件，分布在輪緣一周的近百個(gè)形狀復(fù)雜的樅樹形榫槽是其主要特征，需要在一定溫度下長(zhǎng)時(shí)間承受巨大的離心力和熱應(yīng)力。因此其對(duì)材料的力學(xué)性能要求極高。為了獲得較好的材料強(qiáng)度，盤類鍛件在鍛造、固溶及快速冷卻等熱加工過程中，內(nèi)部不同區(qū)域溫差形成的熱應(yīng)力會(huì)造成不均勻的塑性變形，從而在鍛件內(nèi)部產(chǎn)生梯度較大的殘余應(yīng)力，高溫合金渦輪盤鍛件的淬火殘余應(yīng)力可達(dá)800 MPa，甚至更高[1-2]。作為在高溫下使用的低層錯(cuò)能材料，盤類高溫合金中淬火形成的殘余應(yīng)力難以在后續(xù)的時(shí)效或退火處理中通過回復(fù)階段全部釋放，仍有較大部分殘余應(yīng)力會(huì)保留在最終的盤鍛件中[3-4]（如圖1 所示）。材料切削加工過程中殘余應(yīng)力引起的變形很容易造成最終零件的形狀、尺寸超出公差要求，從而造成零件報(bào)廢。

圖1 渦輪盤鍛件毛坯殘余應(yīng)力分布[4]

零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力變形是隨著毛坯材料在加工中不斷被切除，內(nèi)應(yīng)力失去平衡而逐漸出現(xiàn)的[5]，毛坯初始應(yīng)力分布和毛坯材料的去除方式?jīng)Q定了零件最終的變形。對(duì)于初始?xì)堄鄳?yīng)力分布不均導(dǎo)致的變形可以通過毛坯去應(yīng)力方法達(dá)到控制變形的目的，去除內(nèi)應(yīng)力的方法有自然時(shí)效、退火時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效和深冷處理等。也可以采用不同加工順序抵消或逐層修復(fù)變形的方法來控制殘余應(yīng)力變形，如對(duì)角線、對(duì)稱加工[6]和逐層釋放加工法等。

本文針對(duì)渦輪盤加工中榫槽尺寸和位置度精度的問題展開研究，分析了材料殘余應(yīng)力釋放及其加工順序?qū)ψ冃蔚挠绊懸?guī)律，設(shè)計(jì)V 形槽測(cè)量出了渦輪盤殘余應(yīng)力變形規(guī)律，提出利用大余量粗切釋放應(yīng)力、小余量精切修復(fù)來控制因材料內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放而引起的變形，保證了線切割后榫槽余量的一致性，為后續(xù)加工效率和精度提供了重要的工藝基礎(chǔ)。

1 渦輪盤榫槽加工變形及控制工藝

1.1 材料殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形的機(jī)理

鍛造毛坯內(nèi)部的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布如圖2 所示，毛坯自身處于內(nèi)拉外壓特征分布，整體處于平衡狀態(tài)。零件被去料加工過程中，初始平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生變形而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖2 初始?xì)堄鄳?yīng)力分布原理

在零件加工過程中，殘留在盤鍛件中的殘余應(yīng)力會(huì)隨著部分材料切除而釋放。作為一種自平衡的內(nèi)應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)在加工后重新分布以求再平衡，同時(shí)引起零件在加工后的自由狀態(tài)下出現(xiàn)變形，從而對(duì)零件的形狀和尺寸精度造成顯著影響[7-10]。如圖3a，薄壁件在單側(cè)去除材料厚度d后會(huì)產(chǎn)生一定程度單向翹曲；如圖3b，雙側(cè)去除后，如果雙側(cè)去除量的d1和d2相等，不同方向的變形會(huì)抵消，這就是對(duì)稱加工變形控制法；如圖3c，局部去除后，缺口兩側(cè)材料會(huì)變形，變形量的大小取決于材料本身初始?xì)堄鄳?yīng)力的大小以及剩余部分的剛性；如圖3d，環(huán)形零件去單側(cè)除環(huán)形材料后，直徑H會(huì)整體收縮或膨脹。

圖3 不同去除方式下的變形情況

圖4 為渦輪盤毛坯及零件示意圖，榫槽是渦輪盤的最主要特征，樅樹形榫槽陣列狀分布在渦輪盤外圈輪緣處，一般有幾十個(gè)或上百個(gè)，榫槽的對(duì)稱面與渦輪盤的軸線具有一定的夾角，即傾斜角。渦輪盤榫槽加工過程涉及的單側(cè)、雙側(cè)、局部去除變形綜合發(fā)生，導(dǎo)致變形狀況復(fù)雜。在拉削工藝中，由于變形無法有效控制，首末槽位置度和尺寸公差誤差較大。因此，由于工藝原因?qū)е略O(shè)計(jì)進(jìn)行讓步，允許首末槽存在誤差，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到一定程度影響。

圖4 渦輪盤零件示意圖

1.2 渦輪盤榫槽加工要求

渦輪盤在工作過程中最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到20 000 r/min 以上，因此，樅樹型榫槽在工作中承受高溫、離心力和振動(dòng)的共同作用，極易在榫槽根部產(chǎn)生疲勞破壞[11-12]。為了保證工作的可靠性，榫槽對(duì)加工后的輪廓精度、位置精度、表面質(zhì)量及其一致性都有較高的要求。渦輪盤長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高轉(zhuǎn)速以及高應(yīng)力的環(huán)境下工作，榫槽某些關(guān)鍵尺寸1%的變化就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)高渦轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化9%以上[13]，因此，榫槽的尺寸精度控制直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子部件的工作性能。

如圖5 所示，渦輪盤榫槽鋸齒面開口兩側(cè)尺寸①、②偏差不超過±0.03 mm，對(duì)應(yīng)的平行度不超過0.015 mm，尺寸公差和位置度要求非常高。榫槽底部尺寸③、④尺寸精度要求相對(duì)較低。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，榫槽鋸齒面上面為實(shí)際接觸的工作面，其輪廓度要求為0.015 mm，高于非工作面輪廓度0.02 mm的要求；為了避免與渦輪葉片榫頭的干涉，鋸齒面凸起圓弧R尺寸要求為上差0.05 mm，凹槽底部圓弧R尺寸要求為下差0.05 mm。雙發(fā)單通道大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤一般要求因材料變形引起的榫槽分度偏差為-0.05～0.04 mm。此外，高壓渦輪盤的毛坯一般為粉末冶金或鍛造而成的，其切削加工性極差，進(jìn)而使樅樹型榫槽的加工質(zhì)量及其穩(wěn)定性極難保證，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤制造的“瓶頸”之一[14-15]。

圖5 渦輪盤榫槽精度要求

1.3 榫槽組合加工工藝與裝備

拉削是加工渦輪盤榫槽最常用的加工方式，其加工效率較高。但是，拉削未考慮材料初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的零件變形和拉刀磨損對(duì)榫槽精度的影響，導(dǎo)致榫槽精度的一致性并不理想，同時(shí)，加工成本高昂。基于上述問題，于建華等[15]人提出了“線切割+磨削”的組合加工工藝，在國家科技重大專項(xiàng)的支持下，聯(lián)合上海交通大學(xué)、秦川機(jī)床等單位研究出了五軸線切割（見圖6a）、銑磨復(fù)合五軸圓臺(tái)磨設(shè)備（見圖6b），實(shí)現(xiàn)了渦輪盤榫槽的高精度加工。渦輪盤榫槽變形主要產(chǎn)生于余量大量去除的粗加工階段，而線切割在加工中沒有切削力，而且不會(huì)引入切削力和加工表面殘余應(yīng)力變形，因此，采用線切割粗、半精加工可有效釋放輪緣部分的殘余應(yīng)力。后續(xù)再采用磨削精加工可有效保證榫槽加工精度并去除線切割殘留的重融層。

圖6 “線切割+磨削”工藝裝備

2 渦輪盤加工要求及變形分析

2.1 渦輪盤材料殘余應(yīng)力變形實(shí)驗(yàn)

如圖7，設(shè)計(jì)1 圈與榫槽傾斜角一致的V 形切口，切口型面角度為10°。測(cè)量去除材料的變形狀況。利用線切割按正序去除64 個(gè)V 形切口的材料，測(cè)量出傾斜角、中分面分度角、槽形角，進(jìn)而衡量材料初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)致的變形量和變形趨勢(shì)。

圖7 V 形切口應(yīng)力釋放試驗(yàn)方案

如圖8，除了2 號(hào)切口，其余63 個(gè)V 形切口傾斜角α在±0.1 °范圍內(nèi)變化，因?yàn)榍型? 號(hào)后，2 號(hào)右側(cè)凸臺(tái)剛性較弱，在2 號(hào)切口切完后產(chǎn)生較大的變形。

圖8 V 形切口傾斜角檢測(cè)結(jié)果

如圖9，V 形切口中分面分度角在±0.18°范圍內(nèi)，材料變形引起的各切口之間的尺寸偏差在±0.62 mm的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求的榫槽分度偏差為（-0.05～+0.04)mm。

圖9 V 形切口中分面分度角檢測(cè)結(jié)果

如圖10，V 形切口型面角度β偏差在(-0.15°～+0.05°)，而且小于等于10°的占比超過3/4，說明材料變形引起V 形切口收縮。

圖10 V 型切口型面角度檢測(cè)結(jié)果

綜上所述，通過V 形切口實(shí)驗(yàn)證明渦輪盤材料殘余應(yīng)力明顯存在，會(huì)對(duì)榫槽加工精度造成顯著影響，需要有效控制變形才能實(shí)現(xiàn)榫槽加工的精度要求。

2.2 渦輪盤榫槽加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

某型號(hào)渦輪盤毛坯材料為FGH96，固溶時(shí)效態(tài)，在榫槽加工前經(jīng)過兩次去應(yīng)力熱處理。榫槽粗加工機(jī)床為研制的專用五軸線切割機(jī)床，精加工為研制的專用銑磨復(fù)合五軸圓臺(tái)磨VMG80，具體加工工序如表1 所示。

表1 渦輪盤榫槽加工工序

線切割如圖11a，通過線切割將粉末冶金成形的渦輪盤中的材料殘余應(yīng)力充分釋放，3 遍切割確保留至磨削工序的榫槽余量均勻?？紤]到磨削效率低，砂輪磨損的情況，在線切割精度范圍內(nèi)，盡可能小的保留余量至0.5 mm 左右。磨削如圖11b，使用成形砂輪磨削榫槽鋸齒面和槽底至成品尺寸，加工中確保磨削區(qū)域充分冷卻。

圖11 榫槽組合加工現(xiàn)場(chǎng)

3 加工變形控制方法

3.1 榫槽線切割

在上述研究中，粉末冶金材料的渦輪盤在榫槽加工前經(jīng)過兩次去應(yīng)力熱處理，但在榫槽加工中依然存在較大的初始?xì)堄鄳?yīng)力。因此，在榫槽加工階段，仍然需要充分重視材料殘余應(yīng)力變形的控制問題。

榫槽屬于局部特征，本文采用分層線切割加工方法（如圖12）控制加工殘余應(yīng)力變形。第1 遍切割出倒寶塔狀的榫塊結(jié)構(gòu)粗割層，余量為0.26 mm。第2 遍切割出與榫槽相似母線形狀的波浪狀修復(fù)層，余量為0.1 mm。

圖12 榫槽變形檢測(cè)試驗(yàn)方案

如圖13 為修復(fù)層切割后的實(shí)物，按照?qǐng)D12 中的測(cè)量位置，分別測(cè)量每個(gè)修復(fù)層榫槽頂端兩側(cè)的厚度δ1 和δ2、底部厚度δ3。通過64 個(gè)榫槽在3 個(gè)部位的變形層厚度值的變化規(guī)律衡量渦輪盤榫槽切割的殘余應(yīng)力變形情況。

圖13 粗割層與修復(fù)層實(shí)物

如圖14 所示，除了2 號(hào)槽，其余所有修復(fù)層左側(cè)頂部厚度為0.3～0.4 mm、右側(cè)頂部厚度為0～0.16 mm、底部厚度為0.24～0.26 mm，與預(yù)留的變形層余量一致。變形層呈現(xiàn)出明顯的一側(cè)厚，一側(cè)薄的現(xiàn)象，這說明在第1 遍大余量切割時(shí)榫槽左側(cè)的剛性薄弱部位向右彎曲變形，導(dǎo)致榫槽產(chǎn)生單側(cè)0.1 mm 左右的變形。2 號(hào)槽變形層只有左側(cè)一半（如圖12），右側(cè)缺失，這是因?yàn)? 號(hào)槽切割第1遍切割時(shí)左右兩側(cè)剛性都比較強(qiáng)，殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的1 號(hào)槽兩側(cè)變形不明顯，在2 號(hào)槽切割后導(dǎo)致1 號(hào)槽右側(cè)剛性瞬間減弱，變形累積到2 號(hào)槽左側(cè)。

圖14 榫槽變形量測(cè)量

通過實(shí)驗(yàn)可以看出渦輪盤榫槽加工中，通過第1 遍大余量切割將材料殘余應(yīng)力基本釋放完全，第2 遍切割時(shí)將第1 遍因應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形量進(jìn)行修復(fù)，使得線切割的榫槽尺寸精度保持較好的一致性。

3.2 榫槽磨削

按照表1 中的加工工序?qū)€切割后的榫槽進(jìn)行磨削加工，線切割后的榫槽通過磨削榫槽齒面的粗糙度低于Ra0.8 μm，完全符合設(shè)計(jì)要求。圓弧與直線交界處為平滑過渡，未出現(xiàn)其他加工缺陷，加工的榫齒如圖15 所示。64 個(gè)榫槽上榫齒平面的輪廓誤差在0.01 mm 以內(nèi)，榫齒圓弧處的輪廓誤差在0.017 mm 以內(nèi)。

圖15 磨削加工后的榫槽

按照?qǐng)D5 中渦輪盤榫槽要求，測(cè)量每個(gè)榫槽榫齒的量棒距尺寸①、②的偏差值，所有榫槽的偏差值都在±0.02 mm 之間，與圖14 中測(cè)量出的榫槽底部厚度的偏差值一致，這說明經(jīng)過兩遍切割后，榫槽齒距精度滿足正負(fù)0.03 mm 的要求，榫槽余量一致性較好。

通過磨削后的加工精度比設(shè)計(jì)要求提高了50%以上?！熬€切割+磨削”組合工藝可以有效控制榫槽加工變形，大幅提高了榫槽加工精度。材料殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形會(huì)對(duì)榫槽精度產(chǎn)生明顯影響，分層切割修復(fù)的變形控制方法可以有效控制上述加工變形。

4 結(jié)語

渦輪盤榫槽關(guān)鍵尺寸微小的變化就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)整個(gè)高渦轉(zhuǎn)子應(yīng)力較大幅度變化，因此，榫槽的尺寸精度控制直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子部件的工作性能，本文的所得結(jié)論如下：

（1）粉末冶金材料渦輪盤的初始?xì)堄鄳?yīng)力通過充分熱處理后依然明顯存在，在榫槽加工中應(yīng)被充分重視，有效控制殘余應(yīng)力變形才能保證榫槽的加工精度。

（2）材料內(nèi)部殘余應(yīng)力對(duì)榫槽精度的影響具有明顯的累加效應(yīng)，如果按照分布順序1 次完成榫槽切割，會(huì)造成首末槽的變形偏差較大，極易超過后續(xù)加工的余量要求。

（3）大余量粗切釋放應(yīng)力、小余量精切修復(fù)變形的分層加工方式可以有效控制殘余應(yīng)力變形。