高溫合金零件工藝研究

摘 要：本文從生產實際出發，意在解決高溫合金薄壁零件加工中的工藝問題。以發動機主要承力部件——高導機匣為研究對象，開展了旨在控制加工過程變形的加工工藝研究。從工藝路線、切削參數、加工方法等方面進行分析及試驗研究，制定出合理的工藝路線，控制零件最終變形量。通過該課題的研究，掌握了控制高導機匣變形的加工方法，論文研究工作取得的成果為企業大型高溫合金薄壁零件制造技術的提升打下良好的基礎。

關鍵詞：高溫合金；加工工藝；變形；切削參

引言

高溫合金在航空產業之所以如此著名，是因為其長期在高溫條件下具有良好的抗氧化性、抗蠕變性與持久強度。因此，高溫合金零件的加工工藝的改進是制造業的一個重要課題。特別是對壁厚在2mm以下型面較為復雜的機匣的加工，其變形量的控制更是機匣制造技術提升的關鍵。薄壁機匣零件在加工過程中的變形和試車、試飛后的變形都將影響機匣的質量及裝配互換性的要求，而現在多型號的零件均已轉入批產狀態，所以，解決薄壁機匣零件的變形問題已迫在眉睫。

1 高溫合金概述

高溫合金又稱耐熱合金或熱強合金。因其較高的力學性能、抗腐蝕性等特性，在航空發動機上得到廣泛應用，主要用于高壓機匣、燃燒室、導向器、渦輪盤、渦輪支承機匣、渦輪葉片、導向葉片等高溫部件的制造。高溫合金因其合金化程度很高，在英、美等國稱之為超合金。其主要特點是高熔點、熱強度和熱穩定性能及熱疲勞性能優良。

高溫合金是最難切削的材料之一。其切削特點為：塑性變形較大；切削力大；冷硬現象嚴重；切削溫度高；刀具易磨損；加工表面質量和精度不易保證。

2 高導機匣零件加工工藝的研究

本章通過對發動機的主要承力部件——高導機匣的加工工藝研究，攻克高溫合金薄壁機匣控制加工變形的難題，掌握大型薄壁機匣的制造技術。

該高導機匣屬于高溫合金整體環形薄壁機匣，在高溫下有良好高溫強度、應力和抗腐蝕能力。此研究要達到的目標：自由狀態下機匣圓度跳動不大于0.5mm，平面度不大于0.15mm。

2.1 機匣零件結構分析

2.1.1 零件結構特點及技術要求

高導機匣為發動機的主要承力部件，其最大直徑為Φ754mm，高度為105mm，單邊壁厚僅有1.8mm，內表面粗糙度要求為Ra0.8μm，機匣圓周上分布42個與導向器葉片連接的徑向螺栓孔，在外圓上有42個減重凹槽，并帶有環形槽。零件的設計精度較高，表面配合的尺寸精度為0.05～0.1mm，形位公差（位置度、平行度、垂直度）基本在0.02～0.05mm。此機匣為精度和復雜程度較高的整體環形機匣。

2.1.2 加工難點和工藝性分析

高導機匣毛料為自由環形鍛件，外徑Φ773±5mm，內徑Φ675±5mm，高度125±5mm；材料利用率僅為6.34%，由于金屬去除量大，在加工中將產生較大的加工應力，造成機匣變形嚴重。

設計選材為GH761，該材料主要成分有Ni、Cr、W，并在材料中有TiC硬質點，這些硬質點在切削加工中會產生較大的切削力和切削熱。

2.2 加工工藝研究

2.2.1 原有零件加工工藝及其加工質量檢測

原高導機匣的主要工藝路線為：

№0毛坯→№5粗車大端→№10粗車小端→№15熱處理→№20車小端基準→№25車大端→№30車小端→№35穩定處理→№40車小端基準→№45細車大端→№50細車小端→№55精車大端→№60精車小端→№65劃線→№70銑凸臺→№80粗銑鍵塊→№90鏜孔→№95精銑鍵塊→№105鏜螺紋底孔→№115鏜基準孔→№120鉆孔→№135最終檢驗

從工藝路線上看，分為粗加工——半精加工——精加工，在工藝中安排了兩次熱處理，工藝路線從總體上是基本可行的。

在高導組件裝配時，我們發現如下幾個方面不能滿足裝配組件的技術要求：

（1）機匣外徑與內支承同軸度0.05mm非常難保證，每次靠工人反復調整，這樣裝配時間不但長，而且多數機匣的此項技術條件不能保證。

（2）發動機裝配時高導機匣與高渦轉子間隙不均勻（發動機上方向間隙在1.6mm左右，發動機下方向間隙在2.3mm左右）。

（3）五道篦齒與盤間封嚴環間隙不合格。對此，我們對原有成品零件的變形進行測量，檢測的結果為自由狀態下圓周跳動0.8～1.0mm，端面跳動0.4～0.6mm。

2.2.2 加工變形原因分析

因該機匣為高溫合金薄壁結構，采用自由鍛毛坯，加工余量大，材料利用率不足10%，加工后及試車后機匣零件均發生了一定的變形，分析上述變形原因可能由以下幾個方面造成：

（1）部分工序工藝路線安排不合理。（2）工序中加工余量分布的不均勻。（3）銑端面鍵塊和銑徑向凸臺工序工裝結構不合理。

2.3 加工工藝改進

2.3.1 工藝路線調整

（1）新工藝路線

№0毛坯→№5粗車大端→№10粗車小端→№15熱處理→№20車小端基準→№25車大端→№30車小端→№35穩定處理→№40車小端基準→№45細車大端→№50細車小端→№55精車大端→№60標印→№65精車小端→№70鉆孔→№80劃線→№85粗銑凸臺→№95粗銑鍵塊→№105精車小端→№110精銑鍵塊→№120精鏜孔→125鏜螺紋底孔→№135鉆孔→№145精銑凸臺→№160鏜基準孔→№175最終檢驗

（2）新舊工藝路線不同點

①在新路線中，我們將銑徑向凸臺工序分成兩道序，并將粗銑安排在精車工序之前，精銑安排在精車工序和鏜螺紋底孔之后，這樣安排的目的是將徑向凸臺的大部分余量在精車工序之前去除，精車后再將剩余的少部分余量去除，減少銑加工對零件產生的變形，同時保證凸臺與徑向螺紋底孔的位置尺寸要求。

②增加粗銑加工后的精車小端工序。機匣小端面是設計基準，在原工藝路線中先將此表面加工到位，為了保證小端面的跳動滿足設計要求，在銑加工和鉆孔工序后，增加修復小端面的工序，使小端面的跳動滿足設計要求，同時保證高導機匣其他表面的技術條件。

2.3.2 均勻去除加工余量

第一次熱處理機匣各表面的余量為3mm，第二次熱處理機匣各表面的余量為1mm。

2.3.3 改進工裝

在機匣加工中對易產生機匣變形的工序的夾具進行了改進。在壓緊方式上盡可能采取軸向壓緊和內漲緊的形式。

2.4 結果討論與分析

通過采取改進措施，高導機匣的加工變形有了較大的改善，完全達到了預定的目標；從組件裝配結果反映，改進后的高導機匣與轉子的徑向間隙都合格，而且比較均勻（間隙在1.7～1.9mm）。

3 結束語

此改進措施取得的成果不但為某機批生產打下良好的基礎，同時也為高溫合金薄壁零件加工中如何控制變形提供了可借鑒的方法。

參考文獻

[1]張幼楨.金屬切削原理與刀具[M].國防工業出版社，1990.

[2]艾興.高速切削加工技術[M].國防工業出版社，2003.

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