GH4065A高溫合金整體葉盤繞圈層銑工藝研究

蔣玉平,楊 巖,周曉偉

(中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司,四川 成都 610503)

0 引 言

整體葉盤是航空發(fā)動機關(guān)鍵零件,具有高強度、高韌性、高可靠性的特點。整體葉盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高,其葉片工作表面為空間自由曲面、形狀極其復(fù)雜,這使得整體葉盤的機加工面臨著越來越大的挑戰(zhàn)[1-3]。

通常采用“粗精同步”銑削工藝加工整體葉盤,即精銑葉型前先將葉盤隔片開槽(圖1),精銑葉型時將未開槽部分沿葉盤積疊軸方向自上而下分成若干層,采用同一把刀具先對本層高范圍內(nèi)的流道進行粗加工,再對本層高的葉型型面進行精加工,再繼續(xù)加工下一層,使未加工的部分始終呈現(xiàn)毛坯狀態(tài),為精銑葉型提供最大的剛性和穩(wěn)定性[4-7]。

圖1 整體葉盤的“粗精同步”銑削加工工藝Fig.1 “Coarse and fine synchronous” milling process for blisk

實際加工中,由于高溫合金葉盤的材料硬度大,同一把刀具既要進行大余量粗加工,又要進行小余量精銑葉型,因此刀具磨損較大、刀具不夠鋒利。在銑削葉型底部時,刀具容易發(fā)生斷裂,不僅造成刀具成本增加,也對葉型表面光度造成一定影響[8-15]。因此,需要改進高溫合金整體葉盤的銑削工藝,探究高溫合金葉盤開槽后的“繞圈層銑”精銑葉型等更加合理的工藝。

本文旨在研究高溫合金整體葉盤的“繞圈層銑”加工工藝,探究不同機加工工藝參數(shù)對高溫合金整體葉盤的葉型銑削表面粗糙度的影響,積累高溫合金葉盤高效低成本銑削加工的經(jīng)驗。

1 整體葉盤的機加工方案

1.1 試件模型

研究對象為某新型航空發(fā)動機壓氣機第三級整體葉盤,其材料為GH4065A。該合金是我國研制的750℃級鎳基高溫合金,含大量的固溶元素W和Mo,以及沉淀強化元素Ti、 Al和Nb(體積分數(shù)之和達到6.5%)。該合金γ′強化相體積分數(shù)為42%,是典型的難加工材料[16-20]。

該整體葉盤最大直徑約為564mm,盤體的總厚度為27.8mm,葉展長約34mm,葉型寬度約28.7mm,屬于薄壁寬弦小葉展葉片。葉片為自由曲面,葉尖最大厚度僅有1.6mm,葉片間間隙約為11.5mm,根部轉(zhuǎn)接圓角尺寸為R1.5mm,公差小于0.1mm。

由于整體葉盤的設(shè)計尺寸超出坯料尺寸和現(xiàn)有設(shè)備的加工能力,因此本研究在不改變?nèi)~型尺寸的情況下縮小盤體尺寸進行機加工,考慮縮尺件葉型尺寸需與原葉型保持一致,經(jīng)計算所需縮尺件外廓尺寸為φ280mm,縮尺件模型見圖2。根據(jù)縮尺件外廓尺寸及加工余量,試件毛料采用φ290mm×60mm的棒料進行加工。

圖2 航空發(fā)動機整體葉盤縮小模型Fig.2 Miniature model of aeroengine blisk

1.2 工藝設(shè)計

由于整體葉盤試件僅用于摸索加工工藝參數(shù),為節(jié)約加工周期,未安排特種工藝,其工藝路線為:毛料→粗車左端→粗車右端→鉆定位銷孔→粗車葉尖→粗銑葉型→精銑葉型→檢測葉型尺寸。

為保證該整體葉盤銑削的剛性,葉型端面單邊留有1mm余量;為保證后續(xù)粗精銑葉型的剛性,葉型前后緣區(qū)域留有1mm余量;葉尖留有0.5mm。葉片粗加工后的外形如圖3所示。整體葉盤的主要加工尺寸見表1。

表1 整體葉盤的主要加工尺寸Tab.1 Main machining dimensions of blisk

圖3 葉片粗加工后的外形Fig.3 Profile of blade after rough machining

考慮到葉片間隙、刀具剛性和碰撞等因素,采用φ8直徑的錐度球頭銑刀(圖4)進行粗精銑葉型;采用φ6直徑的錐度球頭銑刀(圖4)進行清根以及清流道。

(a)

1.3 機加工難點和銑削方案

該整體葉盤機加工的主要難點包括:在銑削根部余量時,解決刀具易斷裂對葉型表面完整性、表面粗糙度和厚度公差造成的不利影響;探究不同銑削工藝參數(shù)對GH4065A整體葉盤的表面粗糙度的影響,優(yōu)化銑削參數(shù)。

針對該整體葉盤結(jié)構(gòu)特點和加工難的問題,提出了一種“繞圈層銑”的新型銑削工藝,以滿足整體葉盤的機加工需求?！袄@圈層銑”銑削工藝要求在粗銑時,每一個葉片均開槽,考慮正式零件粗銑后需要進行腐蝕檢查,表面粗糙度要求滿足Ra1.6,因此增加了半精銑工步,粗銑后按照葉型曲率預(yù)留余量為0.5mm,既滿足了精銑時的銑削剛性,又保證腐蝕層可以完全去除。

具體的策略是,為確定整體葉盤精銑加工最佳刀路比,先確定精銑步距并計算出精銑繞圈的刀軌數(shù)量,然后設(shè)置參數(shù)將繞圈層銑中的精銑繞圈刀路與半精銑刀路變成同步狀態(tài):(1)采用比值1∶1(圖6)進行測試,精銑一個葉片用時51min,葉型表面無顫紋,表面粗糙度滿足設(shè)計要求,銑削過程中基本無振動,刀具基本無磨損,可繼續(xù)銑削下一個葉片;(2)采用比值2∶1進行測試,精銑一個葉片用時38min,葉型表面無顫紋,表面粗糙度滿足設(shè)計要求,銑削過程中有輕微振動,刀具基本無磨損,可繼續(xù)銑削下一個葉片;(3)采用比值1∶0進行測試,精銑一個葉片用時20min,葉型表面無顫紋,表面粗糙度滿足設(shè)計要求,銑削過程中有輕微振動,刀具基本無磨損,可繼續(xù)銑削下一個葉片。

圖6 葉片精銑加工刀路比1∶1Fig.6 Cutter path ratio 1∶1 for precision milling of blades

根據(jù)以上三組參數(shù)進行實際加工并對比結(jié)果,以判定“繞圈層銑”的新型銑削工藝是否可以滿足高溫合金材料整體葉盤的銑削加工,并通過對比零件的銑削狀態(tài)、刀具磨損程度,來優(yōu)化刀路比。

2 整體葉盤機加工結(jié)果對比分析

2.1 粗銑加工

由于GH4065A硬度較高、難切削,對銑削參數(shù)要求較高。若機加工參數(shù)設(shè)置偏高,刀具易受力過大而斷裂;若設(shè)置較低,則加工周期過長。因此,合理選擇機加工參數(shù)十分必要。

在零件粗銑開槽時,選擇表面線速度40m/min、每齒切削量0.080mm進行銑削開槽,后續(xù)試驗分別調(diào)整表面線速度和每齒切削量,如表2所示。由表2可知,粗銑加工中,表面線速度選擇40m/min和50m/min,每齒切削量0.080mm和0.064mm的參數(shù)組合,能夠滿足粗銑開槽要求,但每齒切削量0.064mm的加工時間長于每齒切削量為0.080mm的,在銑削滿足表面粗糙度的同時,為保證交付周期,優(yōu)先選擇加工時間短的加工工藝參數(shù):表面線速度40m/min、每齒切削量0.080mm。

表2 整體葉盤粗銑結(jié)果對比Tab.2 Comparison of rough milling results of blisk

零件粗銑開槽后刀具磨損情況見圖7,可見刀具磨損在可接受的范圍內(nèi)。粗銑試驗1中,零件開槽效果見圖8,可見葉片表面加工效果良好。

(a) 試驗1

圖8 粗銑后的整體葉盤葉片F(xiàn)ig.8 Rough milled blisk blades

2.2 精銑加工

在整體葉盤零件繞圈精銑時,選用表面線速度100m/min、每齒切削量0.04mm進行銑削,后續(xù)分別針對表面線速度以及每齒切削量進行調(diào)整測試,具體參數(shù)見表3。由表3可知,精銑繞圈銑削參數(shù)為表面線速度100m/min和60m/min,每齒切削量0.04mm和0.06mm能夠同時滿足精銑要求,為保證交付周期,優(yōu)先選擇加工時間短的銑削參數(shù):表面線速度為100m/min、每齒切削量0.04mm。

表3 整體葉盤精銑結(jié)果對比Tab.3 Comparison of finish milling results of blisk

精銑試驗1中零件表面效果見圖9,整體葉盤葉片表面質(zhì)量滿足要求。

2.5 葉型檢測

采用上述銑削參數(shù)加工整體葉盤的葉片,同一把刀具同時精銑4片后,刀具輕微崩刃、涂層發(fā)白,不能繼續(xù)精銑葉片。從葉型檢測結(jié)果來看(圖10),第1、第2個加工的葉片尺寸合格,但第3、第4個加工的葉片余量偏大,可見一把刀具同時銑削4片,雖然未崩刃,但是有輕微磨損導(dǎo)致后續(xù)加工的葉片尺寸偏大,因此確定精銑葉型的刀具消耗為2片葉片/把。

(a) 第1個葉片

3 結(jié) 論

GH4065A整體葉盤精密加工技術(shù)研究試驗結(jié)果表明,高溫合金整體葉盤“繞圈層銑”新型銑削工藝、加工參數(shù)等能夠滿足零件加工要求,具體如下。

1) 整體葉盤粗銑開槽的銑削工藝參數(shù)建議優(yōu)先選擇表面線速度40m/min、每齒切削量0.080mm,所得粗銑葉片表面質(zhì)量良好。

2) 整體葉盤精銑葉型時可優(yōu)先選擇無半精銑刀路的工藝策略。精銑葉型的銑削工藝參數(shù)建議優(yōu)先選擇表面線速度100m/min、每齒切削量為0.04mm,所得精銑葉片表面質(zhì)量達標。同一把刀具只能同時加工2個葉片。