高溫合金低壓渦輪盤機械加工技術研究

（中航工業黎明公司盤軸加工廠 ，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

渦輪轉子部件是航空發動機最重要的核心熱端部件之一，渦輪部件的材料必須具有高的屈服強度、拉伸強度和足夠的朔性儲備，高的疲勞強度和低周疲勞性能，良好的耐腐蝕性能和組織穩定性，能適應高溫下可靠工作的要求，也就是它要有足夠的高溫強度和良好的熱安定性，以及耐蝕能力。渦輪盤用材料多數是沉淀強化的鐵基或鎳基變形高溫合金，采用直接時效高溫合金GH4169 材料制造，屬于難切削加工材料，刀具易磨損。因此要求刀具材料在高溫下能保持足夠硬度和良好的耐磨性、耐熱性。本文針對高溫合金材料難加工的特點進行切削加工試驗，摸索該材料的加工特性，確定最佳加工工藝路線、切削參數，研究最適合的刀具材料，不但滿足零件尺寸精度，表面粗糙度和技術要求，而且要有效的延長刀具的使用壽命。在滿足零件特殊結構加工的同時，最大限度的提高加工的經濟性。

2 零件結構及工藝分析

設計要求

如圖1 所視為低壓渦輪盤的零件圖。從圖中可以看出該零件是一個典型的薄壁盤類零件。該零件材質較硬，尺寸精度和技術條件要求高，最大外圓直徑為ф507mm，盤心直徑為ф233mm，毛料為Ⅰ類模鍛件，經直接時效、粗加工并徑超聲波探傷合格后交付，盤的結構形狀復雜，內外配合表面多，端面上的安裝邊與腹板型面之間形成窄的環狀型腔，在型腔內有大的轉接圓弧，加工部位開敞性差；盤的配合面及腹板型面之間的相互位置精度要求高，所以必須研究最佳的工藝路線、確定工藝參數和選用新型高強度、高耐磨的刀具材料，引用高強度大功率的加工設備。

3 機械加工工藝研究

3.1 設備

車加工數控設備選擇大功率四坐標加工中心，拉床選用HOFFMANN 數控高速側拉床。

3.2 工藝

3.2.1 加工高溫合金材料的刀具選擇及參數確定

高溫合金在切削加工時，切削負荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45 鋼的1.5-2 倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750-1000℃）下，刀具產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損；加工硬化現象嚴重，已加工表面的硬化程度可達200%-500%。因此高溫合金的可切削加工性能低，車加工比較困難。通過試驗來選擇最佳的刀具的材料和切削參數是十分必要的。通過陶瓷刀具和涂層刀具、硬質合金刀具切削鐵基粉末冶金工件的對比試驗可知：在相同切削條件下，陶瓷刀具的耐用度高于涂層刀具和硬質合金刀具，更適合于鐵基粉末冶金零件的切削加工；在相同切削參數下，因為陶瓷刀具的化學穩定性較好且與試件的摩擦系數小，其加工表面粗糙度值小于涂層刀具。在一定的范圍內，隨著進給量的增大加工表面的粗糙度值Ra 明顯增大，而切削速度的變化對粗糙度影響不大；所選用陶瓷刀具加工表面的粗糙度值明顯低于所選用硬質合金的加工表面粗糙度值。其原因是，刀具材料的化學穩定性以及與工件之間的摩擦系數對加工表面有很大的影響，所選陶瓷刀具的化學穩定性優于所選硬質合金刀具，并且與工件的摩擦系數較小，因而加工表面粗糙度較好。

3.2.2 車加工難點及解決方法

3.2.2.1 車加工難點

從零件圖2-1 中可以看出，低壓渦輪盤結構復雜，型面點多，尺寸精度要求高，零件的大部分尺寸是在車加工中保證，因此車加工勞動量很大，占零件機械加工總的勞動量51%，其中精車工序是設計圖要求尺寸的最終形成工序，所以精車工序是車加工重點與難點。在車削加工過程中，由于從毛料到成品有較大的加工余量，因而會產生較大的切削力。由于受到切削力的影響，零件極易產生加工變形，從而造成零件壁厚難以保證，技術條件達不到設計要求。

在低壓渦輪盤兩端面處各有處環形槽，加工時則會引起應力的釋放，導致零件變形，相關尺寸37.5 ±0.02、0.1+0.1+0.05、φ450+0.063 0 超差以及相關技術條件的不合格，影響組件的裝配，因此工藝規程的工藝路線合理安排能有效控制零件變形，保證相關重要尺寸合格。零件篦齒尺寸較小且精度要求較高，進行車加工時篦齒刀易與零件腹板干涉，篦齒角度8°±30′、16°±30′要用刀體的正確安裝為前提保證。

3.2.2.2 解決方法

1、劃分加工階段，合理分配車加工工序的加工余量

針對加工余量大造成加工應力集中引起變形的問題，在制定工藝路線時采取了劃分加工階段，合理分配各車加工工序的加工余量的辦法，將車加工分為粗加工、半精加工和精加工。在粗加工時控制進刀量不大于0.5mm，通過多次進刀完成大余量的去除。這樣有效地減小了加工應力，并且精加工留有盡可能小的加工余量，保證成品后加工應力較小。

2 合理安排精車工序的路線

由于零件相互位置精度要求高，所以采用一次裝夾加工或用同一基準定位和找正的方法加工保證。如圖2 所示，此低壓渦輪盤選取輪緣外圓表面和兩側端面作為精車盤兩側面的共用工藝基準，加工時選用精度高的車床，一次裝夾加工到設計圖規定的尺寸，這種工藝方法能夠獲得好的垂直度和平行度。精車基準面時從兩側端面均勻去余量，以保證精加工表面的加工余量均勻。

如圖3 所示，精車第二面，選用數控車床，設計專用車床夾具裝夾零件，○C○D 為基準面，壓緊表面○H，為更好的釋放應力，防止零件變形，先把端面槽尺寸加工到位，其余部位留取0.2mm 余量，在精車第一面工序后加工到位。

如圖4 所示，精車第一面，選用數控車床，設計專用車床夾具裝夾零件，采用○C○D（共用工藝基準）為基準表面，壓緊表面○H。加工中由于型面較長，故采取接刀方法加工型面和轉接R。

如圖5 所示，精車篦齒及型面，選用普通車床，采取統一基準面和專用車床夾具，進行精加工篦齒時，由于缺少專用篦齒刀，通過篦齒形狀分析畫出篦齒刀形狀，改磨現有刀具，加工中還需要一把對刀樣板，可用于檢查刀具刃磨質量，又可用于安裝刀具時保證齒形中心線與零件軸線垂直。

3.3 榫槽的拉削加工

由于拉床設備要求剛性較強，拉刀數量多，采用了多刀位德國HOFFMANN 數控高速側拉床。通過對榫槽投影試件及機床調整試件的試拉削，經過50 倍投影檢查，調整了拉刀幾何參數，使槽型完全滿足設計要求。在拉削零件過程中，由于拉削參數不合理，拉刀出現"崩齒"現象，通過調試，最終將拉削速度確定在1m/min,粗拉刀齒升量為0.05mm，精拉刀齒升量為0.03mm，有效解決了這一問題。首件拉削后通過檢測，發現零件輔板尺寸由于拉削產生的應力，向拉削方向產生了0.15-0.20mm 的傾斜變形。在拉具方案上進行了調整，增加了輔助支撐，有效降低拉削變形。

設計專用拉床夾具，該夾具只起夾緊盤件及與機床連接作用。榫槽的進氣角，榫槽的分度由機床上的船型工作臺和精密分度盤實現 。拉刀設計成采用漸切法、成型法相結合的方法進行拉削，用粗、精共14 把拉刀組合在一起，一個行程拉削一個榫槽。第1-7 把拉刀為粗開槽刀，采用漸切法，第8-13 把拉刀為粗拉齒形，采用漸切法，第14 把拉刀為精拉齒形，采用成型法拉削。

合理選用齒升量對設計拉刀十分重要，齒升量過大增加盤件和拉刀變形，切削力增大，從而導致冷作硬化的深度和程度以及表面微觀不平度加大。當設計粗拉刀時，在保證拉刀壽命的前提下，盡量選取較大的齒升量，這樣既縮短了拉刀的長度，又提高勞動生產率。拉刀幾何角度的選擇，是設計拉刀中的一個重要因素。一般粗拉刀齒升量較大，選用較大的前、后角，前角γ=15°～18°后角α=35°。精拉齒行時，為了增加拉刀的壽命，一般選較小后角，α=1°30′～3°。

4 結論

通過試驗研究證明，制定合理的工藝路線正確，選擇適合于高溫合金GH4169 材料的車加工的刀具材料和切削參數，榫槽拉削加工拉刀、夾具設計使用正確是保證零件合格的關鍵。該零件的加工提升了高溫合金渦輪盤類零件的制造技術水平。

[1]透平機械現代制造技術叢書編委會編.盤軸制造技術[M].北京科學出版社.2002.

[2]航空材料實用手冊[M].中國標準出版社.1989.

[3]孟少農主編.機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業出版社.1992

[4]互換性與技術測量[M].高等教育出版社.1981.

[5]袁哲俊主編.金屬切削刀具[M].上海科學技術出版社.1992.