新結(jié)構(gòu)渦輪盤機(jī)械加工及變形控制技術(shù)研究

姜雪梅 劉紅偉 趙鵬飛

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司盤軸加工廠，遼寧 沈陽(yáng)110043)

渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，渦輪盤零件的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了極大的變化。新結(jié)構(gòu)渦輪盤不但具有雙翼安裝邊結(jié)構(gòu)，與輪盤輻板形成了大深度半封閉型腔，使得進(jìn)、退刀困難，加工難度大大增加，同時(shí)該類渦輪盤直徑大，輻板及雙翼安裝邊處均為壁薄結(jié)構(gòu)，最薄壁厚分別為2.1～2.5 mm，零件剛性差，形狀復(fù)雜，圓弧轉(zhuǎn)接多，加工變形嚴(yán)重。渦輪盤尺寸精度高，形位公差嚴(yán)格，如:某級(jí)渦輪盤零件內(nèi)孔配合尺寸公差0.05 mm、垂直度0.01 mm;安裝邊至輪緣端面軸向尺寸公差0.03 mm、輪緣端面平面度0.015 mm;精密配合孔均布位置度公差φ0.03 mm，零件材料為高溫合金GH4169，加工中切削力大，增加了零件變形的產(chǎn)生。因此有必要研究全新的加工工藝路線和數(shù)控加工工藝方案。

1 渦輪盤結(jié)構(gòu)及加工工藝性分析

本文所述渦輪盤是大直徑帶有雙翼安裝邊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的環(huán)形薄壁盤件，具有尺寸精度高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、薄壁剛性差、材料難加工的特點(diǎn)，特別是帶有懸臂的雙翼安裝邊，與輪盤的輻板表面形成了半封閉深型腔結(jié)構(gòu)，敞開(kāi)性差，給切削加工造成極大困難，加工質(zhì)量不易保證，如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu):輪緣處有均布的燕尾形榫槽，φB、φC等直徑配合表面，兩側(cè)安裝邊與輪盤兩側(cè)輻板形成了大深度半封閉型腔，徑向深度達(dá)40 mm，安裝邊內(nèi)表面與輪轂端面軸向開(kāi)口寬度只有20 mm，敞開(kāi)性極差，加工中進(jìn)退刀困難，需要多把刀具轉(zhuǎn)接才能完成加工。輪盤外徑、跳動(dòng)0.02 mm;盤心孔直徑為、垂直度0.01 mm;一側(cè)安裝邊至輪緣端面軸向尺寸、平面度0.015 mm;輪盤輻板為不等厚結(jié)構(gòu)，靠多處坐標(biāo)值控制輻板厚度，輻板最薄處壁厚僅為2.6 mm。各型面轉(zhuǎn)接處為多圓弧與錐面轉(zhuǎn)接，要求轉(zhuǎn)接圓滑，且有輪廓度要求。輪盤兩側(cè)雙翼安裝邊厚度2.3～3.5 mm，兩端面平行度0.025 mm，由于雙翼懸臂較長(zhǎng)，錐壁厚僅2.3 mm為，加工中極易產(chǎn)生變形，使得雙翼安裝邊內(nèi)外型面加工難度增大。輪盤兩側(cè)安裝邊上帶有32－φ6H8(+0.0220)等精密配合孔、位置度均為φ0.03 mm，再加上材料硬度高、切削性能差等因素，工件的加工難度非常大。

2 渦輪盤加工工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 工藝路線規(guī)劃

渦輪盤毛坯采用模鍛件，材料為GH4169，熱處理狀態(tài):直接時(shí)效，硬度≥388HB。根據(jù)以往加工盤類工件的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)該盤件進(jìn)行工藝性分析，考慮到工件的特殊結(jié)構(gòu)及材料的加工特點(diǎn)等因素，制定雙翼安裝邊結(jié)構(gòu)渦輪盤主要加工工藝流程如圖2。

2.2 加工工藝方案的制定

雙翼結(jié)構(gòu)渦輪盤在車削加工過(guò)程中，由于其特殊的薄壁結(jié)構(gòu)，且從毛坯到成品有較大的加工余量，因而會(huì)產(chǎn)生較大的切削力，加上材料本身的鍛造應(yīng)力的影響，工件加工中極易產(chǎn)生變形，從而造成工件尺寸難以保證，技術(shù)條件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此制定合理的加工工藝方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)和刀具材料，確定先進(jìn)合理的數(shù)控走刀路線，優(yōu)化數(shù)控程序和切削參數(shù)，試驗(yàn)摸索加工變形規(guī)律，有效地控制加工變形，是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.2.1 刀具結(jié)構(gòu)及刀具材料的確定

(1)刀具結(jié)構(gòu)形狀

雙翼結(jié)構(gòu)渦輪盤半封閉深腔加工中走刀困難，為防止加工過(guò)程中刀具與工件碰撞，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的模擬仿真，設(shè)計(jì)車刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2)刀具材料

在進(jìn)行毛料的粗車加工時(shí)，去除的余量較大，切削過(guò)程中沖擊性較大，由于此時(shí)對(duì)工件的表面粗糙度及尺寸精度要求不高，考慮到加工的經(jīng)濟(jì)性，所以在粗加工時(shí)首先在國(guó)產(chǎn)刀具材料中進(jìn)行選擇，根據(jù)以往加工經(jīng)驗(yàn)，在粗加工時(shí)選用了YD15材料刀具。

精車加工中綜合考慮到加工質(zhì)量、加工效率和經(jīng)濟(jì)性，選用進(jìn)口刀具進(jìn)行了切削試驗(yàn)。先后選擇了CBN、涂層硬質(zhì)合金及非涂層硬質(zhì)合金等材料的刀具進(jìn)行了切削試驗(yàn)，最終結(jié)果表明涂層硬質(zhì)合金刀具加工效果好，性價(jià)比高。

2.2.2 主要工裝設(shè)計(jì)

由于渦輪盤工件的薄壁結(jié)構(gòu)，為減小加工變形，加工過(guò)程中工件的裝夾定位不能采用徑向直接夾緊的方式，而必須采用軸向定位、壓緊的方式進(jìn)行，因此需設(shè)計(jì)專用夾具，完成工件安裝定位和加工，并盡量使定位基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)重合。

圖4是工件的裝夾示意圖，采用6處壓板壓緊，由于定位面和壓緊面是直接相對(duì)的表面，增強(qiáng)了定位壓緊的可靠性，夾具采用定位環(huán)快換結(jié)構(gòu)，不但在一套夾具上可有效完成半精車和精車加工任務(wù)，而且可以在5道工序上進(jìn)行應(yīng)用，有效減少了工裝數(shù)量。為提高工件剛性、減小加工中的振動(dòng)和變形，夾具上帶有可調(diào)節(jié)的輔助支撐，對(duì)輪盤的輪轂端面進(jìn)行支撐，保證工件加工精度要求。

2.2.3 主要加工過(guò)程

(1)車削加工

渦輪盤輻板非常薄(最薄處2.6 mm)，半封閉深型腔不但徑向深度大，而且軸向開(kāi)口窄，若采用普通機(jī)床依靠成形車刀大余量加工圓弧表面，必然產(chǎn)生大的加工應(yīng)力而引起加工變形，因此在車加工中采用了數(shù)控車床、機(jī)夾刀具加工，數(shù)控車加工走刀路線如圖5所示。去除余量時(shí)，采用多次進(jìn)刀，控制吃刀深度，同時(shí)必須保證刀具鋒利，冷卻充分，在加工余量剩余0.3～0.4 mm時(shí)，注意更換新刀片，以減小工件變形。選用切削參數(shù):v=40～45 m/min，ap=0.2～0.4 mm，f=0.1 mm/r。

(2)鏜孔加工

由于渦輪盤兩側(cè)安裝邊精密孔孔徑公差0.018 mm，位置度要求0.03 mm，故采用坐標(biāo)鏜床加工，通過(guò)打中心孔、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、鉸孔的工藝加工方案，保證了精密孔尺寸精度及位置公差要求。為避免加工變形引起孔的位置度超差，特將鏜孔工序安排在拉榫槽和銑花邊工序之后進(jìn)行。在輪盤鏜孔加工過(guò)程中，也可根據(jù)工件精度要求安排兩次鏜孔工序，第一次粗鏜孔，留有一定的加工余量，加工后的孔可以用作拉削榫槽時(shí)夾具角向定位用，拉削榫槽以后，再安排一次精鏜孔，目的是防止拉槽后零件直徑變化，對(duì)鏜孔位置度產(chǎn)生影響。

3 加工過(guò)程難點(diǎn)問(wèn)題分析

3.1 深腔型面車加工容易產(chǎn)生碰撞和打刀

深腔型面加工其刀具結(jié)構(gòu)、走刀路線、切削用量的選擇對(duì)保證加工質(zhì)量非常重要，必須確定合理的走刀軌跡、優(yōu)化進(jìn)刀方式，如在加工輪盤輻板型面時(shí)，為避免刀具與輻板處尺寸R51 mm發(fā)生刮碰，通常采用軸向和圓弧方向上刀，盡量避免徑向上刀，在加工型腔根部M處(見(jiàn)圖1)時(shí)也應(yīng)采用這種上刀方式。

切削用量選擇的不恰當(dāng)，也容易造成打刀現(xiàn)象，在試驗(yàn)件加工中，由于加工時(shí)吃刀量過(guò)大(0.6～0.7 mm)，工件切削部分的根部排屑困難，根部切削時(shí)刀片包絡(luò)面積過(guò)大，導(dǎo)致切削力超過(guò)刀具所能承受的范圍，從而引起刀具重大變形，使刀板與待切削表面發(fā)生干涉，引起打刀。將每次循環(huán)加工中的吃刀深度調(diào)整為0.3～0.4 mm，并優(yōu)化了數(shù)控程序走刀軌跡，通過(guò)模擬仿真，分析刀具在根部的包絡(luò)狀態(tài);杜絕了問(wèn)題的再次發(fā)生。

3.2 加工后部分尺寸產(chǎn)生偏離

精車加工第一面時(shí)，首先車削基準(zhǔn)端面A和安裝邊錐壁外表面，端面A留0.1～0.15 mm的余量，再加工輪盤輻板表面和安裝邊內(nèi)表面，加工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題集中體現(xiàn)在，當(dāng)輪盤輻板表面和安裝邊內(nèi)表面加工完成后，基準(zhǔn)端面A產(chǎn)生了傾斜變形，輪緣處向里傾斜，輪轂向外傾斜，變形量0.15～0.2 mm，其變形程度已經(jīng)超出了預(yù)留的加工余量，造成尺寸無(wú)法保證(見(jiàn)圖1)。在精車輪盤另一側(cè)時(shí)，應(yīng)先將安裝邊端面和錐壁外表面余量去除，留0.2 mm左右的余量，然后加工輻板和型腔內(nèi)表面，最后再精車安裝邊端面，以保證圖紙要求。

針對(duì)加工中暴露出的問(wèn)題，我們及時(shí)調(diào)整了加工方案，優(yōu)化了加工順序，將預(yù)留的加工余量進(jìn)行了調(diào)整，精車輻板時(shí)，在輪轂端面增加輔助支承，開(kāi)始粗加工去余量時(shí)，輔助支承必須保證有效、可靠的支承，當(dāng)加工余量剩余到0.2～0.3 mm時(shí)，適當(dāng)松開(kāi)輔助支承，完成最后精車。同時(shí)增加了精車修復(fù)工序，通過(guò)這些措施有效減小了工件的加工變形，保證了零件尺寸精度和嚴(yán)格的形位公差要求。

4 加工變形的分析與控制措施

4.1 變形原因分析

(1)對(duì)于高溫合金材料，加工中產(chǎn)生的變形不僅僅是機(jī)械加工中的切削應(yīng)力造成的，工件的毛坯鍛件在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在加工中釋放后，重新達(dá)到平衡狀態(tài)同樣會(huì)引起較大的變形。內(nèi)應(yīng)力的釋放過(guò)程，一是時(shí)間過(guò)程，工件加工的周期越長(zhǎng)，內(nèi)應(yīng)力釋放的越充分，變形就越小，工件加工周期越短，內(nèi)應(yīng)力越不容易得到釋放，變形就越大。

(2)不同的材料有不同的變形量。針對(duì)高溫合金的機(jī)械加工，去除材料的大小也是造成工件變形的主要因素之一，隨著余量的去除，殘留在毛坯中的鍛造殘余應(yīng)力也得到釋放，因此切削余量大，切削應(yīng)力大，工件變形隨之增加。

(3)通常認(rèn)為工件機(jī)械加工中的切削應(yīng)力是造成變形的主要原因，而采用控制工藝參數(shù)和增加消除應(yīng)力熱處理的方法來(lái)補(bǔ)救，但在實(shí)際加工中證明，加工變形與鍛造工藝過(guò)程及工藝參數(shù)有關(guān)。

(4)工件加工的工藝路線、加工順序和走刀軌跡、切削用量、刀具材料的選擇、工件的定位裝夾方式等工藝方案是否合理，直接影響到工件的加工變形。

4.2 控制變形的解決措施

(1)劃分加工階段，合理分配各工序的加工余量。盤類件加工過(guò)程分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。為減小工件變形，應(yīng)優(yōu)化、細(xì)化加工工藝路線，合理分配各加工階段的加工余量，盡可能在粗加工時(shí)去除更多的余量，使工件早一些釋放應(yīng)力。

(2)采用工序集中的原則，正確選擇定位基準(zhǔn)。工序集中后，可以減少裝夾定位次數(shù)，減小定位誤差。薄壁輪盤加工中的裝夾最好采用專用夾具、軸向壓緊的方式，避免直接采用徑向夾緊方式。同時(shí)應(yīng)注意修正工件端面基準(zhǔn)的平面度，避免基準(zhǔn)面變形，影響工件定位和加工精度。

(3)優(yōu)化、固化切削參數(shù)。在粗加工時(shí)也應(yīng)盡量控制切削深度不至過(guò)大，通過(guò)多次進(jìn)刀完成大余量的去除。這樣可以有效地減小加工應(yīng)力，精加工留有盡可能小的加工余量，保證最終加工后應(yīng)力較小。

(4)由于盤類件超聲波后的盲區(qū)余量較大，故在超聲波檢查后安排半精車工序，盡可能在精車加工前對(duì)型槽、型腔部位進(jìn)行開(kāi)槽，使精車加工余量減小且保證余量均勻，這對(duì)減小工件軸向尺寸變形非常有利。

(5)薄壁輪盤在榫槽拉削加工后會(huì)產(chǎn)生較大的變形，一般精車加工后徑向尺寸如:輪盤大外圓、盤心孔等，經(jīng)拉削榫槽后會(huì)普遍縮小，也會(huì)使工件各表面的形位公差發(fā)生改變，因此應(yīng)摸索變形規(guī)律，采用尺寸補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ蛟黾有迯?fù)加工工序消除變形的影響。

(6)增加消除應(yīng)力熱處理工序。薄壁輪盤在粗車加工后、半精車加工后，都要安排消除應(yīng)力熱處理工序，使加工中的應(yīng)力得到有效釋放，這樣可以減小精加工中的變形。

(7)噴丸前后的尺寸測(cè)量及修復(fù)加工。噴丸過(guò)程中，不可避免地會(huì)使工件產(chǎn)生變形，造成工件尺寸發(fā)生變化。為了摸索噴丸后尺寸變化規(guī)律，在噴丸前、噴丸后要對(duì)一些重要尺寸進(jìn)行測(cè)量，安排修復(fù)加工工序，對(duì)于難以修復(fù)的重要尺寸，則需要考慮在噴丸前預(yù)留變形量等尺寸補(bǔ)償辦法解決變形問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平的提高，不僅僅依靠提升設(shè)計(jì)水平，而是依賴于設(shè)計(jì)、材料和加工工藝技術(shù)水平的共同提高和進(jìn)步，特別是對(duì)于渦輪盤這樣的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件，其加工精度和表面質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性至關(guān)重要。雙翼新結(jié)構(gòu)渦輪盤的工藝攻關(guān)，使我們的制造技術(shù)水平邁向了新的臺(tái)階。但目前我們與國(guó)外先進(jìn)制造工藝技術(shù)相比，仍然存在一定的差距，因此必須要改進(jìn)傳統(tǒng)的加工模式，在消化吸收國(guó)際先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷應(yīng)用的實(shí)際需要，開(kāi)展工藝制造技術(shù)的創(chuàng)新和探索，大幅度地提高工藝制造技術(shù)水平。