特種加工技術在航天動力系統渦輪盤上的應用

蘇云玲 丁金明 周 賀 羅遠鋒 王曉偉

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特種加工技術在航天動力系統渦輪盤上的應用

蘇云玲 丁金明 周 賀 羅遠鋒 王曉偉

（北京動力機械研究所，北京100074）

以某航天發動機用渦輪盤榫槽的加工為例，針對零件材料特性、結構特點以及技術要求，分析了慢走絲線切割加工工藝在渦輪盤榫槽加工中的應用情況，并與傳統加工方法進行對比，總結出了特種加工技術在航天發動機制造中的優勢。在研究慢走絲線切割加工工藝特點及工藝規律的基礎上，通過試驗研究，總結出一套適用的新加工工藝方法及加工參數，給出了實現整盤加工的技術手段。為航空航天發動機用渦輪盤榫槽的精密加工開辟了新思路。

航天動力系統；渦輪盤；榫槽；慢走絲；精密加工

1 引言

渦輪盤是航空航天發動機中工作條件最為苛刻、最為重要的熱端部件之一，是發動機渦輪關鍵部件的核心零件，其性能直接決定發動機的整體性能。在運行過程中，工作葉片和輪盤在高溫高速燃氣的推動作用下高速旋轉，作用于其上的力有離心拉應力、動態熱應力、氣流彎曲應力和壓差力。葉片榫頭通過鎖葉鍵與輪盤榫槽裝配，工作時動態接觸，依靠接觸壓力和接觸摩擦力保證葉片不從輪盤滑脫。接觸狀態隨運行時間、工況、配合間隙以及其他許多隨機因素的改變而變化，接觸部位的應力應變情況十分復雜。這對于榫槽型面輪廓精度及其表面質量都提出了很高的要求。

傳統行業內，為了保證加工精度，渦輪盤榫槽多采用拉削的方法完成加工。但因為拉刀形狀復雜，制造成本較高，同時受到專業設備的客觀限制，拉削工藝方法難以在軍工企業得到普及、推廣，多數都依靠外協廠家完成，產能受到較大牽制。積極尋求探索可替代的加工工藝方法對于進一步提高軍工企業的自主研發能力，提升市場競爭力具有十分重要的意義。

慢走絲加工技術作為特征加工技術的典型代表，具有加工精度高、成本低的顯著優勢[1]。但因為熱影響層的存在，加工表面容易產生重鑄層、微裂紋等缺陷，而這些缺陷將是影響渦輪盤性能和壽命的關鍵因素，甚至導致致命損失。應用慢走絲加工技術進行渦輪盤榫槽的加工，在采取技術手段實現整盤加工的同時，還要針對電加工參數對于加工表面質量及尺寸精度等的影響規律開展研究，保證其加工表面質量滿足設計指標要求和發動機性能要求。

2 渦輪盤的整盤精密加工技術方案

當把慢走絲線切割加工工藝應用于渦輪盤榫槽的加工時，因為受到加工方法、設備功能等方面的客觀限制，多數線切割設備本身不具有精確分度功能。部分配備附件A軸的設備，因為A軸尺寸限制，也不能實現渦輪盤的整盤分度功能。所以要實現渦輪盤的整盤線切割，首先要解決的問題是實現渦輪盤加工過程中的精確分度功能。傳統行業內進行慢走絲加工榫槽時，為了實現分度，往往通過在定位座上加工出一個定位孔，在分度盤上加工出相應數量的分度孔，并使用銷釘進行分度和定位。傳統分度定位裝置如圖1所示。

1—分度盤 2—定位銷 3—定位盤

為了實現渦輪盤榫槽切割中的精確分度，設計了專用工裝裝置（該裝置已申請專利，專利號：201518002132.0）。該裝置主要由1、2、3、4、5五部分組成，其中1為工裝底座，用于連接慢走絲設備工作臺與工裝裝置，并實現該工裝裝置在設備上的安裝和定位；2為分度裝置，為精密手動分度頭，標準外購件，連接1工裝底座與3工件定位芯軸，實現工件繞中心軸線的旋轉和角度分度及定位；3為工件定位芯軸，連接工件和2精密手動分度頭，實現工件加工過程中的精確定位；4為夾緊裝置，用于連接工件與3工件定位芯軸并夾緊；5為基準找正裝置，與工裝底座相連接，用于加工前的基準找正。具體組成結構及工裝裝夾示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 定位裝置示意圖

圖3 渦輪盤裝夾示意圖

該裝置主要用于實現以下功能：

a. 通過定位芯軸保證工件在該裝置上的精確定位，并實現工件在鎖緊前的粗定位；

b. 通過基準找正裝置簡化加工基準的確定和轉換過程，提高基準找正精度。

c. 通過精密手動分度頭實現工件在加工過程中的精確分度，避免人為操作誤差的影響；

d. 可用于電加工操作，精密分度盤無須浸入電介質，避免長時間浸泡造成分度盤精度下降、出現銹蝕、油封卡死等問題。

3 數控程序的編制

在渦輪盤的工程設計中，榫槽輪廓尺寸及其形位公差是以盤面為基準指定一個距離并沿榫槽表面的法向方向給出的，即榫槽理論輪廓位于與榫槽傾斜方向垂直的法截面上。而在慢走絲線切割的多軸編程計算中，程序數據點及刀路軌跡通過電極絲上固定點的運動來實現，導致無法在程序編制中直接引用設計尺寸，須將設計數據進行投影、換算，從而轉換為可以通過電極絲運動實現的編程數據，進而實現程序的編制和執行。針對渦輪盤榫槽輪廓的設計尺寸進行數據點的投影換算，投影換算原理示意圖如圖4所示。

圖4 榫槽輪廓投影計算

設榫槽截面理論輪廓上尺寸為，為榫槽傾斜角，為榫槽截面中心對稱點到輪盤端面的距離。則投影后的輪廓為尺寸為

=/cos（1）

將設計圖紙上給出的榫槽輪廓尺寸通過此公式轉化，轉化后的線性尺寸與圓弧尺寸相連，即可獲得所需的投影尺寸。根據設計尺寸公差要求對轉化后的輪廓尺寸進行優化計算。

4 電規準的選擇

開槽和粗加工在整個加工過程中所占比重較大，因此加工效率是衡量電規準選擇的標準；對于精加工來說，要求電規準的選擇能夠滿足表面粗糙度、重鑄層厚度要求。

表1 水平參數

表2 L9(34)正交表格

為了獲得適用于工件材料的電規準，采用正交法對根據實踐經驗預選出的參數進行了優化。以確保切割效率的參數優化為例，對（放電電流）、（放電功率）、Ppos（正脈沖）、Pneg（負脈沖）四個方面因素考慮進行的正交試驗法過程如表1、表2所示。

按照正交試驗法的結果分析原則，對試驗結果進行分析，四個因素對切割效率的影響程度如圖5所示。

圖5 四因素影響分析圖

從分析結果來看，各因素對于加工速度的影響程度依次為：、Pneg、、Ppos。

通過同樣的方法進行試切實驗、精度檢測和重鑄層檢測，對各因素對加工精度和表面質量的影響程度進行了驗證和優化組合，進而獲得了適用于高溫合金材料榫槽慢走絲線切割的電規準參數。如表3所示。

表3 適用于高溫合金榫槽慢走絲線切割的電規準參數

5 渦輪盤整盤加工工藝規劃

圖6 粗加工工藝方案

渦輪盤榫槽的加工工藝過程大致劃分為粗加工和精加工兩個工步。其中，粗加工的目的是充分釋放應力，減小變形對精加工的影響。通過在輪廓周邊留出適當的加工余量，并采用對稱切割的方法完成粗加工。為了達到粗加工的目的，同時盡可能提高切削效率，粗加工后的榫槽輪廓應盡可能簡化。粗加工工藝方案如圖6所示。

精加工與粗加工在一次裝夾中完成，采用直徑為0.2mm的電極絲，從粗加工順序的第一個槽開始，從盤體外開始逆時針起絲切割，如圖7所示。若加工余量滿足要求，精加工過程可以順序完成所有榫槽的切割。

圖7 電極絲精加工軌跡

在整盤加工工藝中，根據輪盤的結構和尺寸對切割過程中的變形進行量化，并在此基礎上合理分配粗加工和精加工的余量，使粗加工留出的切割余量能夠滿足加工要求。在精加工過程中，為了保證榫槽的輪廓精度及切割表面的表面質量，須對精切工步進一步細化，并選擇適合的電規準。

6 榫槽輪廓度檢測

榫槽輪廓的檢測可以采用投影法、數字成像、三坐標檢測法等，在專業加工領域，采用較多的檢測方法是投影法或數字成像法，具體操作方法是先依據理論輪廓曲線畫出上下偏差曲線作為公差帶，然后通過專用投影儀分別將理論輪廓及其公差帶曲線、實際榫槽輪廓投影到屏幕上，根據實際榫槽輪廓線是否位于公差帶內判定輪廓加工精度是否滿足設計指標要求。此種方法的優勢是操作簡單、方便、直觀，對于有批量的生產而言成本較低，經濟性好。

而對于輪廓曲線曲率較大的榫槽，也可以通過選取適合的測針，在三座標測量儀上進行輪廓精度的檢測。通常是隨機選取多個榫槽中的幾個進行檢測，將檢測結果與設計給定的理論三維造型比較、分析，從而判定輪廓度是否滿足設計指標要求。此種方法操作相對簡單、直觀，精度較高，適合于非專業榫槽加工。

在此應用過程中，采用三座標檢測法完成了渦輪盤的榫槽輪廓檢測，檢測結果示意圖如圖8所示。檢測結果滿足設計指標要求。

圖8 榫槽輪廓度三座標測量結果示意圖

7 重鑄層厚度檢測與分析

慢走絲線切割表面重鑄層的存在將顯著降低加工表面的斷裂疲勞強度，導致工作中的渦輪盤在高溫、高速、高載荷的高強度環境下容易發生疲勞斷裂，進而導致嚴重的事故。所以在渦輪盤的慢走絲加工工藝中，重鑄層的厚度檢測是考核電加工表面質量的關鍵指標。

圖9 GH720材料重鑄層形貌示意圖

圖11 參數匹配后的GH720材料加工表面形態

圖12 參數匹配后的GH4169材料加工表面形態

為了進行再鑄層的檢測，將加工試件制作成晶相試片，制作前用20ml硝酸腐蝕了5min。通過使用相同的放電參數切割不同材料，觀測到了重鑄層的不同特點。如GH720與GH4169兩種材料在相同電規準下產生的重鑄層特征如圖9、圖10所示。通過電規準的研究與匹配，采用最優放電參數分別切割兩種材料時，檢測結果顯示，通過工藝研究后獲得的電規準加工的表面重鑄層最大厚度在0.005mm以下，能夠滿足設計要求中再鑄層不大于0.007mm的要求。其實物檢測圖片分別如圖11、圖12所示。

8 結束語

a. 通過專用工裝裝置中工裝底座與精密分度盤的結合使用，避免人為誤差影響，保證精確分度；通過基準找正裝置的設計，實現基準找正過程的簡化，并保證找正精度；通過夾緊定位裝置，保證工件的快速準確定位；通過下懸式工裝橋架的設計，保證工件位于精密分度盤的下方，并保持一定距離，從而可以長期應用于電加工。

b. 針對渦輪盤榫槽的慢走絲數控程序編制，根據榫槽分布特征，通過投影、計算、優化，對理論輪廓尺寸及其公差進行了轉換，從而在保證加工可實現性的同時確保滿足設計精度指標。

c. 給出了確定電規準參數的正交計算過程，通過此方法可以確定適用的電規準參數，在保證加工精度的同時提高切割效率。

d.給出了渦輪盤榫槽整盤加工的工藝方案，輪廓單邊留出適當的余量后先進行粗加工，并盡量簡化開槽輪廓，可在有效釋放應力的同時保證粗加工效率。同時通過對稱法加工，可有效減小應力變形，保證輪廓精度。

e.通過重鑄層厚度的檢測，進一步確定慢走絲線切割加工工藝方法可以滿足渦輪盤榫槽的加工精度和使用性能要求，是一種可以代替傳統拉削工藝的新型加工工藝方法。

1 周旭光. 特種加工技術[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004

Application of Special Machining Technology on Turbine Disk of Space Power System

Su Yunling Ding Jinming Zhou He Luo Yuanfeng Wang Xiaowei

(Beijing energy machine institute, Beijing 100074)

Taking the processing of an aerospace engine turbine disk as an example, the application of WEDM process in the machining of the turbine disk is analyzed according to the requirements of material properties, structure characteristics and technology. Compared with the traditional processing methods, the advantages of the special processing technology in aerospace engine manufacturing are summed up. Based on the research on the characteristics and processing process rules of the cutting process, a set of new processing methods and processing parameters are summed up through the experimental research, and the technical means are given to realize the whole plate processing. It opens up a new approach for the precise machining of turbine disk mortise and tenon for aerospace engines.

aerospace power system；turbine disk；mortise；EDM；precision machining

蘇云玲（1976），高級工程師，機械制造及其自動化專業；研究方向：復雜曲面葉輪類零件的五軸數控精密電化學銑削加工。

2017-06-14