渦輪盤榫槽加工工藝及變形控制方法研究＊

于建華 李 勛 丁志純

（①中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241；②北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

渦輪盤是航空發動機重要的熱端承力部件，分布在輪緣一周的近百個形狀復雜的樅樹形榫槽是其主要特征，需要在一定溫度下長時間承受巨大的離心力和熱應力。因此其對材料的力學性能要求極高。為了獲得較好的材料強度，盤類鍛件在鍛造、固溶及快速冷卻等熱加工過程中，內部不同區域溫差形成的熱應力會造成不均勻的塑性變形，從而在鍛件內部產生梯度較大的殘余應力，高溫合金渦輪盤鍛件的淬火殘余應力可達800 MPa，甚至更高[1-2]。作為在高溫下使用的低層錯能材料，盤類高溫合金中淬火形成的殘余應力難以在后續的時效或退火處理中通過回復階段全部釋放，仍有較大部分殘余應力會保留在最終的盤鍛件中[3-4]（如圖1 所示）。材料切削加工過程中殘余應力引起的變形很容易造成最終零件的形狀、尺寸超出公差要求，從而造成零件報廢。

圖1 渦輪盤鍛件毛坯殘余應力分布[4]

零件的初始殘余應力變形是隨著毛坯材料在加工中不斷被切除，內應力失去平衡而逐漸出現的[5]，毛坯初始應力分布和毛坯材料的去除方式決定了零件最終的變形。對于初始殘余應力分布不均導致的變形可以通過毛坯去應力方法達到控制變形的目的，去除內應力的方法有自然時效、退火時效、振動時效和深冷處理等。也可以采用不同加工順序抵消或逐層修復變形的方法來控制殘余應力變形，如對角線、對稱加工[6]和逐層釋放加工法等。

本文針對渦輪盤加工中榫槽尺寸和位置度精度的問題展開研究，分析了材料殘余應力釋放及其加工順序對變形的影響規律，設計V 形槽測量出了渦輪盤殘余應力變形規律，提出利用大余量粗切釋放應力、小余量精切修復來控制因材料內部殘余應力釋放而引起的變形，保證了線切割后榫槽余量的一致性，為后續加工效率和精度提供了重要的工藝基礎。

1 渦輪盤榫槽加工變形及控制工藝

1.1 材料殘余應力導致變形的機理

鍛造毛坯內部的初始殘余應力分布如圖2 所示，毛坯自身處于內拉外壓特征分布，整體處于平衡狀態。零件被去料加工過程中，初始平衡狀態被破壞，產生變形而達到新的平衡狀態。

圖2 初始殘余應力分布原理

在零件加工過程中，殘留在盤鍛件中的殘余應力會隨著部分材料切除而釋放。作為一種自平衡的內應力，殘余應力會在加工后重新分布以求再平衡，同時引起零件在加工后的自由狀態下出現變形，從而對零件的形狀和尺寸精度造成顯著影響[7-10]。如圖3a，薄壁件在單側去除材料厚度d后會產生一定程度單向翹曲；如圖3b，雙側去除后，如果雙側去除量的d1和d2相等，不同方向的變形會抵消，這就是對稱加工變形控制法；如圖3c，局部去除后，缺口兩側材料會變形，變形量的大小取決于材料本身初始殘余應力的大小以及剩余部分的剛性；如圖3d，環形零件去單側除環形材料后，直徑H會整體收縮或膨脹。

圖3 不同去除方式下的變形情況

圖4 為渦輪盤毛坯及零件示意圖，榫槽是渦輪盤的最主要特征，樅樹形榫槽陣列狀分布在渦輪盤外圈輪緣處，一般有幾十個或上百個，榫槽的對稱面與渦輪盤的軸線具有一定的夾角，即傾斜角。渦輪盤榫槽加工過程涉及的單側、雙側、局部去除變形綜合發生，導致變形狀況復雜。在拉削工藝中，由于變形無法有效控制，首末槽位置度和尺寸公差誤差較大。因此，由于工藝原因導致設計進行讓步，允許首末槽存在誤差，使得發動機性能受到一定程度影響。

圖4 渦輪盤零件示意圖

1.2 渦輪盤榫槽加工要求

渦輪盤在工作過程中最高轉速能夠達到20 000 r/min 以上，因此，樅樹型榫槽在工作中承受高溫、離心力和振動的共同作用，極易在榫槽根部產生疲勞破壞[11-12]。為了保證工作的可靠性，榫槽對加工后的輪廓精度、位置精度、表面質量及其一致性都有較高的要求。渦輪盤長時間在高溫、高轉速以及高應力的環境下工作，榫槽某些關鍵尺寸1%的變化就會導致整個高渦轉子應力變化9%以上[13]，因此，榫槽的尺寸精度控制直接關系到轉子部件的工作性能。

如圖5 所示，渦輪盤榫槽鋸齒面開口兩側尺寸①、②偏差不超過±0.03 mm，對應的平行度不超過0.015 mm，尺寸公差和位置度要求非常高。榫槽底部尺寸③、④尺寸精度要求相對較低。在發動機工作時，榫槽鋸齒面上面為實際接觸的工作面，其輪廓度要求為0.015 mm，高于非工作面輪廓度0.02 mm的要求；為了避免與渦輪葉片榫頭的干涉，鋸齒面凸起圓弧R尺寸要求為上差0.05 mm，凹槽底部圓弧R尺寸要求為下差0.05 mm。雙發單通道大型客機發動機的渦輪盤一般要求因材料變形引起的榫槽分度偏差為-0.05～0.04 mm。此外，高壓渦輪盤的毛坯一般為粉末冶金或鍛造而成的，其切削加工性極差，進而使樅樹型榫槽的加工質量及其穩定性極難保證，是航空發動機渦輪盤制造的“瓶頸”之一[14-15]。

圖5 渦輪盤榫槽精度要求

1.3 榫槽組合加工工藝與裝備

拉削是加工渦輪盤榫槽最常用的加工方式，其加工效率較高。但是，拉削未考慮材料初始殘余應力引起的零件變形和拉刀磨損對榫槽精度的影響，導致榫槽精度的一致性并不理想，同時，加工成本高昂。基于上述問題，于建華等[15]人提出了“線切割+磨削”的組合加工工藝，在國家科技重大專項的支持下，聯合上海交通大學、秦川機床等單位研究出了五軸線切割（見圖6a）、銑磨復合五軸圓臺磨設備（見圖6b），實現了渦輪盤榫槽的高精度加工。渦輪盤榫槽變形主要產生于余量大量去除的粗加工階段，而線切割在加工中沒有切削力，而且不會引入切削力和加工表面殘余應力變形，因此，采用線切割粗、半精加工可有效釋放輪緣部分的殘余應力。后續再采用磨削精加工可有效保證榫槽加工精度并去除線切割殘留的重融層。

圖6 “線切割+磨削”工藝裝備

2 渦輪盤加工要求及變形分析

2.1 渦輪盤材料殘余應力變形實驗

如圖7，設計1 圈與榫槽傾斜角一致的V 形切口，切口型面角度為10°。測量去除材料的變形狀況。利用線切割按正序去除64 個V 形切口的材料，測量出傾斜角、中分面分度角、槽形角，進而衡量材料初始殘余應力導致的變形量和變形趨勢。

圖7 V 形切口應力釋放試驗方案

如圖8，除了2 號切口，其余63 個V 形切口傾斜角α在±0.1 °范圍內變化，因為切完1 號后，2 號右側凸臺剛性較弱，在2 號切口切完后產生較大的變形。

圖8 V 形切口傾斜角檢測結果

如圖9，V 形切口中分面分度角在±0.18°范圍內，材料變形引起的各切口之間的尺寸偏差在±0.62 mm的范圍，遠遠超過設計要求的榫槽分度偏差為（-0.05～+0.04)mm。

圖9 V 形切口中分面分度角檢測結果

如圖10，V 形切口型面角度β偏差在(-0.15°～+0.05°)，而且小于等于10°的占比超過3/4，說明材料變形引起V 形切口收縮。

圖10 V 型切口型面角度檢測結果

綜上所述，通過V 形切口實驗證明渦輪盤材料殘余應力明顯存在，會對榫槽加工精度造成顯著影響，需要有效控制變形才能實現榫槽加工的精度要求。

2.2 渦輪盤榫槽加工實驗設計

某型號渦輪盤毛坯材料為FGH96，固溶時效態，在榫槽加工前經過兩次去應力熱處理。榫槽粗加工機床為研制的專用五軸線切割機床，精加工為研制的專用銑磨復合五軸圓臺磨VMG80，具體加工工序如表1 所示。

表1 渦輪盤榫槽加工工序

線切割如圖11a，通過線切割將粉末冶金成形的渦輪盤中的材料殘余應力充分釋放，3 遍切割確保留至磨削工序的榫槽余量均勻。考慮到磨削效率低，砂輪磨損的情況，在線切割精度范圍內，盡可能小的保留余量至0.5 mm 左右。磨削如圖11b，使用成形砂輪磨削榫槽鋸齒面和槽底至成品尺寸，加工中確保磨削區域充分冷卻。

圖11 榫槽組合加工現場

3 加工變形控制方法

3.1 榫槽線切割

在上述研究中，粉末冶金材料的渦輪盤在榫槽加工前經過兩次去應力熱處理，但在榫槽加工中依然存在較大的初始殘余應力。因此，在榫槽加工階段，仍然需要充分重視材料殘余應力變形的控制問題。

榫槽屬于局部特征，本文采用分層線切割加工方法（如圖12）控制加工殘余應力變形。第1 遍切割出倒寶塔狀的榫塊結構粗割層，余量為0.26 mm。第2 遍切割出與榫槽相似母線形狀的波浪狀修復層，余量為0.1 mm。

圖12 榫槽變形檢測試驗方案

如圖13 為修復層切割后的實物，按照圖12 中的測量位置，分別測量每個修復層榫槽頂端兩側的厚度δ1 和δ2、底部厚度δ3。通過64 個榫槽在3 個部位的變形層厚度值的變化規律衡量渦輪盤榫槽切割的殘余應力變形情況。

圖13 粗割層與修復層實物

如圖14 所示，除了2 號槽，其余所有修復層左側頂部厚度為0.3～0.4 mm、右側頂部厚度為0～0.16 mm、底部厚度為0.24～0.26 mm，與預留的變形層余量一致。變形層呈現出明顯的一側厚，一側薄的現象，這說明在第1 遍大余量切割時榫槽左側的剛性薄弱部位向右彎曲變形，導致榫槽產生單側0.1 mm 左右的變形。2 號槽變形層只有左側一半（如圖12），右側缺失，這是因為1 號槽切割第1遍切割時左右兩側剛性都比較強，殘余應力釋放導致的1 號槽兩側變形不明顯，在2 號槽切割后導致1 號槽右側剛性瞬間減弱，變形累積到2 號槽左側。

圖14 榫槽變形量測量

通過實驗可以看出渦輪盤榫槽加工中，通過第1 遍大余量切割將材料殘余應力基本釋放完全，第2 遍切割時將第1 遍因應力釋放導致的變形量進行修復，使得線切割的榫槽尺寸精度保持較好的一致性。

3.2 榫槽磨削

按照表1 中的加工工序對線切割后的榫槽進行磨削加工，線切割后的榫槽通過磨削榫槽齒面的粗糙度低于Ra0.8 μm，完全符合設計要求。圓弧與直線交界處為平滑過渡，未出現其他加工缺陷，加工的榫齒如圖15 所示。64 個榫槽上榫齒平面的輪廓誤差在0.01 mm 以內，榫齒圓弧處的輪廓誤差在0.017 mm 以內。

圖15 磨削加工后的榫槽

按照圖5 中渦輪盤榫槽要求，測量每個榫槽榫齒的量棒距尺寸①、②的偏差值，所有榫槽的偏差值都在±0.02 mm 之間，與圖14 中測量出的榫槽底部厚度的偏差值一致，這說明經過兩遍切割后，榫槽齒距精度滿足正負0.03 mm 的要求，榫槽余量一致性較好。

通過磨削后的加工精度比設計要求提高了50%以上。“線切割+磨削”組合工藝可以有效控制榫槽加工變形，大幅提高了榫槽加工精度。材料殘余應力導致的變形會對榫槽精度產生明顯影響，分層切割修復的變形控制方法可以有效控制上述加工變形。

4 結語

渦輪盤榫槽關鍵尺寸微小的變化就會導致發動機運行時整個高渦轉子應力較大幅度變化，因此，榫槽的尺寸精度控制直接關系到轉子部件的工作性能，本文的所得結論如下：

（1）粉末冶金材料渦輪盤的初始殘余應力通過充分熱處理后依然明顯存在，在榫槽加工中應被充分重視，有效控制殘余應力變形才能保證榫槽的加工精度。

（2）材料內部殘余應力對榫槽精度的影響具有明顯的累加效應，如果按照分布順序1 次完成榫槽切割，會造成首末槽的變形偏差較大，極易超過后續加工的余量要求。

（3）大余量粗切釋放應力、小余量精切修復變形的分層加工方式可以有效控制殘余應力變形。