基于鑄造鎳基高溫合金K418的某型渦噴發動機渦輪數控加工工裝研究

趙敏 郭友利

摘要：基于高溫合金具有較好的高溫強度、熱穩定性及抗熱疲勞性能，能夠在高溫氧化環境下持續工作，目前已廣泛應用到各個領域，特別是航天、航空、造船、汽車等領域。筆者單位某型渦噴發動機中關鍵零件渦輪，采用鎳基高溫合金鑄造后車削加工而成，其加工質量和精度直接影響該型發動機推力、增壓比、油耗、壽命等性能指標。為保證其加工質量，成立工藝攻關小組，本文主要就該種渦輪的數控加工工裝及其設計原理進行研究。

關鍵詞：鎳基高溫合金;渦噴發動機渦輪;鑄件數控加工;工裝設計

1概述

1.1產品概述

該渦輪零件在精密鑄造毛坯基礎上加工而成，葉片位置不加工，零件外形特性。

1.2產品材質及特性

該零件材質為K418高溫合金。特性：高溫合金的切削加工時國際公認的加工難題，切削加工性極差，導熱性低，加工硬化嚴重，切削時材料與刀具粘接嚴重。因其抗斷裂性、持久塑性及強化高，導致在切削加工中產生巨大的塑性變形，造成嚴重的加工硬化現象，材料硬度可達200-500%，在剪切面上切應力高，切削力大，可達45鋼的2-3倍，切削溫度可達750-1000℃。其化學成分與材料性能如下表：

1.3加工難度

①材質切削加工困難;②鑄造毛坯一致性偏差大;③零件非加工表面不得有劃傷;④毛坯件加工裝夾位置尺寸不一致;⑤原始加工裝夾困難且校正時間較長。

2加工工藝研究

工藝路線特點：采用新工藝、新設備、新工裝后，實行鉗工、車工分工配合，并且對操作者技能要求大大降低（初級工即可操作），不需要定人、定崗，通過優化生產配置，可實現該零件的批產需求。通過新型加工方式，進一步提高渦輪的加工精度、加工效率及加工表面質量。

3加工工裝研究

3.1方案

按照工藝路線，工裝設計有渦輪基準鉗工調試工裝和渦輪數車工裝，工裝采用模塊化設計原理，設計有渦輪軸心調整機構、渦輪壓緊機構、渦輪垂直度調整機構，各種機構獨立作用于渦輪不同部位，可以迅速便捷的限制渦輪的6個自由度完成基準定位。

該渦輪零件毛坯由于是鑄造成型，毛坯凸臺的尺寸及跳動鑄造偏差達到±0.3mm，導致零件加工基準無法采用兩側毛坯凸臺。故改零件軸心定位基準選擇ф125±0.35葉片基圓位置，軸線法線基準為葉片端面。渦輪基準采用工裝定位，在鉗工調整專用平臺上架設百分表校驗ф125±0.35葉片基圓位置，通過渦輪軸心調整機構旋轉打表校核調整渦輪零件軸心，跳動值在±0.1mm以內，并用渦輪壓緊機構預壓緊。

圖2

鉗工校準后的工裝轉移至數控加工車間，由數車操作人員將零件整體裝配在數控車床卡盤轉接定位盤后直接按照程序加工。

3.2創新點

原工藝及加工方法采用普通車床加工，校準方式采用機床四爪卡打表校核，采用該工裝的工藝路線是，在裝配到機床加工前鉗工已經校核完畢，零件和工裝整體裝配在數控車床上開始加工。校準方式通過渦輪軸心調整機構及渦輪垂直度調整機構微調，從而使零件位置度達到圖紙要求，校核時間較之前減少幅度很大。

3.2.1輪軸心調整機構：

采用螺旋測微頭頂桿調整推塊進給量，測微頭每轉一圈，頂桿進給1mm，彈簧用于調整后推塊自動復位，采用該機構，可以精確控制進給量，完成渦輪軸心微調操作。

3.2.2渦輪垂直度調整機構：

渦輪垂直度調整機構采用楔塊進給原理，通過四組該機構整體調整渦輪葉片，從而達到渦輪整體相對于工裝的垂直度要求。內六角螺釘旋轉一圈，渦輪葉片支撐頂塊上升0.125mm，上升與進給比例為1/10。該機構滿足渦輪葉片位置微調操作。

4成果

加工效率：該工裝設計原理采用鉗工與數車分工配合，優化生產模式加工時間由傳統加工2340min降低至1905min。效率提升18.59%。

加工質量：渦輪單面不平衡量和導風輪雙面不平衡量是影響產品加工質量的重要指標，其數值越小，加工質量越高，從而后續動平衡修配量越小，動平衡操作時間越短。其不平衡量由原始加工平均300g.mm提升至182g.mm。

渦輪產量保證：渦輪零件傳統加工工藝復雜、產品毛坯價格昂貴、對于加工操作者技能要求很高。采用新工藝、新設備、新工裝后對操作者技能要求大大降低，產能可達到發動機產量要求。

5結論

通過對渦輪零件的新型加工工裝研究，完成普車到數車的跨越，從而縮短了生產制造周期，提高了生產效率和加工精度，減少了以往傳統加工方式的誤差。為后續研發和生產不同型號的渦噴發動機打好堅實的基礎，該種加工技術的應用也會越來越廣泛，并朝著更高的精度，更高的效率，更高的工藝范圍方向發展。

參考文獻

[1]鄭文虎，張玉林，詹明榮.難切削加工技術問答[M].北京：北京出版社，2001

（作者單位：南京模擬技術研究所）