加工參數(shù)對(duì)高溫合金渦輪盤表面精度的影響研究

摘要：為研究車削加工參數(shù)對(duì)雙性能粉末高溫合金渦輪盤加工表面精度的影響，選取表面粗糙度和殘余應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析方法建立了表面粗糙度的預(yù)估模型，并驗(yàn)證了模型的可靠性。采用X射線應(yīng)力測(cè)量技術(shù)對(duì)盤件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：盤件在加工時(shí)，半精加工的參數(shù)選擇較為重要；為避免引入較高的殘余應(yīng)力，獲得更好的表面精度，應(yīng)盡可能選擇高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給量。半精加工后再進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，能更好的消除加工殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：雙性能粉末高溫合金；渦輪盤；表面精度；粗糙度；殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG506.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.008

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 02-0054-07

Research on Effect of Maching Parameters on Surface Precision of Superalloy Turbine Disc

SU Lei1，WANG Yuan2，XU Chun1，LI Zaiqiang1，LI Linfeng1，HUANG Kunlan2

（ 1.Chengdu Hangli （Group） Industry Co.， Ltd.， Chengdu 610093， China;

2.School of Mechenical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：In order to study the influence of turning parameters on the machining surface precision of dual-performance powder superalloy turbine disc， the surface roughness and residual stress are selected as the evaluation indexes， and the surface roughness prediction model ss set up by the orthogonal design and the regression analysis method， and the reliability of the model is verified. The X-ray stress measurement technology is used to measure the residual stress on the surface of the disc. The results show that the parameter selection of semi-finishing machining is very important during the machining of the disc. In order to avoid introducing higher residual stress and obtain better surface precision， a higher speed and a lower feed rate should be selected as much as possible. And stress relieving heat treatment after semi-finishing can eliminate residual stress better.

Key words：dual performance powder superalloy；turbine disc；surface precision；roughness；residual stress

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比越來越高，壓氣機(jī)出口和渦輪前溫度也不斷提高，同時(shí)由于渦輪盤工作條件的特殊性，盤緣溫度較盤心溫度梯度較大，對(duì)渦輪盤材料性能提出了更加嚴(yán)格的要求。近年來，渦輪盤材料已從傳統(tǒng)的變形高溫合金改為粉末高溫合金并進(jìn)一步向著雙性能粉末的方向發(fā)展。美國、前蘇聯(lián)以及英國雖早在20世紀(jì)70年代開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用雙性能盤的研究，但直到1997年才正式應(yīng)用到F119發(fā)動(dòng)機(jī)上。雙性能粉末高溫合金盤因制造工藝復(fù)雜，尤其是快速淬火熱處理中溫度精確控制難度大，國內(nèi)僅極少數(shù)單位開展研制，故對(duì)其車削加工性能的探究更少，相關(guān)研究空白有待補(bǔ)充。

由于合金化程度較高，目前的變形高溫合金普遍存在填充成型困難，材料偏析嚴(yán)重，熱加工性能較差等問題，因此，利用粉末冶金法制得的粉末高溫合金應(yīng)運(yùn)而生，解決了上述加工問題。優(yōu)勢(shì)性能的出現(xiàn)通常伴隨著新的問題，其一，粉末合金硬度較高（原材料硬度高達(dá)60HRC，產(chǎn)品硬度在40HRC左右）切削抗力大[5-8]，刀具損耗加快。其二，粉末冶金法制得的高溫合金導(dǎo)熱性差，在切削加工中刀尖的熱量迅速積累，易導(dǎo)致粘刀和積屑瘤。第三，材料中難以避免會(huì)存在硬質(zhì)點(diǎn)或空洞，都將對(duì)刀具產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，加劇刃口磨損。綜上所述，粉末冶金法制得的高溫合金具有難加工的特征，通常只能低俗切削，加工效率難以提高。而雙性能粉末高溫合金盤緣晶粒度在3～6級(jí)，盤心晶粒度在8～12級(jí)，即同一加工表面硬度和韌性變化大，導(dǎo)致刀具和加工參數(shù)難以優(yōu)化。

同時(shí)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件，渦輪盤的表面精度是影響其服役壽命和工作性能的關(guān)鍵因素[9-11]。在工程應(yīng)用中，通常將表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力作為加工面質(zhì)量評(píng)價(jià)的兩項(xiàng)重要參照，因此本文選取粗糙度和殘余應(yīng)力作為表面精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，渦輪盤往往在高轉(zhuǎn)速、高載荷環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行，材料疲勞破壞是失效主因，而材料的疲勞很大程度上受其應(yīng)力狀態(tài)影響。所以深入探究渦輪盤殘余應(yīng)力的形成機(jī)理，掌握加工應(yīng)力的調(diào)控優(yōu)化辦法，進(jìn)而制造出有良好應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)件來保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性能及工作壽命，具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以雙性能粉末高溫合金渦輪盤為研究對(duì)象，探究不同車削加工參數(shù)對(duì)渦輪盤表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，建立并驗(yàn)證了表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，為后續(xù)盤件加工參數(shù)優(yōu)化提供支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為某雙性能粉末高溫合金渦輪盤，采用氬氣霧化法制備WZ-A3粉末，經(jīng)熱等靜壓、熱擠壓、鍛造和固溶時(shí)效熱處理等加工流程制得。粉末的化學(xué)成分和渦輪盤的力學(xué)性能如表1和表2所示。

1.2 車削正交試驗(yàn)

將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析方法[12]相結(jié)合，可有效減少試驗(yàn)次數(shù)，在有限的試驗(yàn)點(diǎn)里

挖掘更多信息，并通過進(jìn)一步分析優(yōu)化，可篩選出更佳試驗(yàn)參數(shù)，建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。本文正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路依照L（2^3）正交表（三因素、二水平），共設(shè)計(jì)8組試驗(yàn)，三因素為3個(gè)切削參數(shù)，具體編碼如表3所示。以國內(nèi)外相關(guān)廠家的先進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為參考，選取帶涂層的硬質(zhì)合金刀片VCGT160408-R9605，該刀片具有高硬度、強(qiáng)韌性、高耐溫性、耐磨性和潤滑性好等特性，能適用于較寬的加工范圍。匹配無涂層刀片的加工方案和冷卻液系統(tǒng)；按照不同的參數(shù)組合開展車削試驗(yàn)。完成車削加工后，對(duì)樣件表面依次進(jìn)行粗糙度測(cè)量。為減少試驗(yàn)誤差，同一樣品表面沿徑向等距選取5個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量平均值作為該樣品的表面粗糙度。

1.3 殘余應(yīng)力測(cè)試

近年來，X射線衍射測(cè)量技術(shù)已經(jīng)作為殘余應(yīng)力測(cè)量的主要手段被廣泛應(yīng)用于研究或改進(jìn)機(jī)械加工、焊接、噴丸等工藝方法。針對(duì)盤類零件的加工過程，采用X射線應(yīng)力儀分別對(duì)熱處理后、粗車、去應(yīng)力熱處理、半精車和精車的5種狀態(tài)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定。測(cè)試時(shí)以軸向盤心位置作為起始點(diǎn)，沿四個(gè)方向，以最小間隔5 mm依次進(jìn)行，最后對(duì)相同半徑的測(cè)試值取均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，減小測(cè)量誤差。圖1為盤件加工示意圖，圖2為盤件表面殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置示意圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 車削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

決定渦輪盤表面粗糙度的因素主要可總結(jié)

為幾何因素和物理因素[13-14]。前者是指在刀具的幾何參數(shù)與實(shí)際切削運(yùn)動(dòng)軌跡的共同作用下，被加工表面有局部區(qū)域始終未被切下，殘留在工件表面，并與已加工表面形成高度差，增大粗糙度值。后者是指由于加工過程中刀尖與被加工材料持續(xù)擠壓、摩擦，形成的積屑瘤會(huì)影響加工面精度；同時(shí)，在力熱耦合作用下，刀具磨損、材料形變、刀尖與工件相對(duì)位置變動(dòng)等現(xiàn)象加劇，都會(huì)對(duì)加工件表面粗糙度產(chǎn)生影響。

對(duì)于零部件而言，最理想的表面粗糙度是在切削加工中沒有上述干擾因素，即設(shè)定切削

條件后，沒有積屑瘤產(chǎn)生，沒有振動(dòng)與形變，完美工況下獲得的最好表面粗糙度值，可表示為：

式中：Vf為切削進(jìn)給速度，mm/s；D為刀尖直徑，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速（即切削速度）的提高，表面粗糙度的值變小。因此，提高切削速度在一定程度上會(huì)改善工件的表面粗糙度。

根據(jù)分子－機(jī)械摩擦理論、摩擦-磨損計(jì)算理論和Hertz彈性接觸理論[15]可知，兩個(gè)不同硬度的接觸面上，較硬材料的凸起部分會(huì)使較軟材料表面產(chǎn)生塑性變形，受擠壓作用的接觸表面既存在塑性變形也存在壓力卸載后的彈性變形恢復(fù)。因此，加工后零件表面層的殘留高度可表示為：

式中：rε為刀尖圓弧半徑，mm；HV為零件表面硬度，HV0.1； 為被加工材料的屈服強(qiáng)度，MPa；Fz為垂直零件表面的切削分力，N；E為零件材料的彈性模量，GPa。

殘留高度描述的是已加工表面的微觀形貌特征，是不平整的基本形態(tài)，各種影響因素在殘留高度和殘留面積上疊加。從式（2）可知，工件表面的殘留高度一方面受零件材料本身的特性影響，包括硬度、密度、導(dǎo)熱性、彈性模量以及變形特征等；另一方面與切削加工條件有關(guān)，包括刀具幾何角度、切削力等。

本試驗(yàn)中，不同的加工參數(shù)及其對(duì)應(yīng)樣品的粗糙度測(cè)量值如表4所示。

對(duì)線速度（A）、進(jìn)給量（B）和切削深度（C）等切削參數(shù)與粗糙度的相關(guān)性進(jìn)行分析，各參數(shù)的單因素和交互作用的相關(guān)性結(jié)果如圖

3、圖4所示。如圖可知，線速度對(duì)粗糙度的影響較低，而進(jìn)給量和切削深度對(duì)粗糙度的影響較為明顯，特別是進(jìn)給量和切削深度的交互作用下，對(duì)粗糙度的影響最為顯著。這與式（2）較為一致，即零件在充分冷卻條件下，切削熱的影響因素降低，材料的表面硬度和彈性模量可視為不變，粗糙度僅與切削分力相關(guān)。

建立交互作用相關(guān)條件下粗糙度分布曲面圖，如圖5所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立表面粗糙度預(yù)估模型為：

對(duì)粗糙度預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證，補(bǔ)充車削試驗(yàn)主要參數(shù)，并測(cè)量粗糙度值，如表5所示。對(duì)比可知，預(yù)估模型的最大誤差僅為10.83%，證明該預(yù)估模型較為準(zhǔn)確，可以用于雙性能粉末高溫合金盤的表面粗糙度預(yù)測(cè)。

2.2 車削參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響

切削時(shí)，刀尖與材料擠壓帶來機(jī)械應(yīng)力，持續(xù)的摩擦導(dǎo)致熱量積累產(chǎn)生熱應(yīng)力，這兩類應(yīng)力共同決定著加工表面的殘余應(yīng)力[16-18]。機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力在切削過程中持續(xù)變化，在加工表面不均勻分布，其共同作用后的應(yīng)力，根據(jù)理論分析可能有三種狀態(tài)：殘余拉應(yīng)力、殘余壓應(yīng)力以及殘余拉－壓混合應(yīng)力。同時(shí)，也因?yàn)殡S著加工的進(jìn)行，機(jī)械力和切削熱既劇烈變化，又相互影響、相互作用，使最終的殘余應(yīng)力狀態(tài)變得更為復(fù)雜，并對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)中，對(duì)不同狀態(tài)下盤件的加工表面測(cè)試了殘余應(yīng)力，其結(jié)果如圖6所示。

從殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，盤件在熱處理后、粗車、去應(yīng)力熱處理、半精車和精車的加工狀態(tài)變化較為規(guī)律。熱處理后的殘余應(yīng)力較低，粗加工后明顯升高，經(jīng)去應(yīng)力熱處理后又降低，半精加工后升高，精加工后降低。最終殘余應(yīng)力處于熱處理與去應(yīng)力熱處理之間的水平。分析可知，此類現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是在切削加工時(shí)，不同工序條件下盤件表面受到刀具的切削力差別較大，對(duì)渦輪盤表面產(chǎn)生不同的局部高溫、高壓、高應(yīng)變率以及不均勻的熱－彈塑性變形，進(jìn)而殘留不同的殘余應(yīng)力。在相同的冷卻條件下，切削力直接與進(jìn)給量和切削深度的乘積相關(guān)，因此粗加工后的殘余應(yīng)力較精加工后高。

對(duì)于小端面的殘余應(yīng)力分布，經(jīng)粗加工后緣板位置殘余應(yīng)力顯著降低，可能與盤件擠壓、鍛造時(shí)，在變截面轉(zhuǎn)角處存在淺表裂紋有關(guān)。

此外，根據(jù)高速切削理論，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界值后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力反而會(huì)減小。因此盤件在加工時(shí)，半精加工的加工參

數(shù)應(yīng)選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量，不然會(huì)引入較高的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力熱處理工序應(yīng)放在半精加工后，能更好的消除加工殘余應(yīng)力。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)線速度、進(jìn)給量和切削深度等切削參數(shù)與粗糙度的相關(guān)性進(jìn)行分析，利用正交試驗(yàn)和回歸分析方法建立表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型對(duì)粗糙度預(yù)估模型，并對(duì)預(yù)估模型值進(jìn)行驗(yàn)證，其最大誤差僅為10.83%，證明該預(yù)估模型較為準(zhǔn)確，可以用于該型號(hào)粉末高溫合金盤的表面粗糙度預(yù)估。

（2）熱處理后的殘余應(yīng)力較低，粗加工后明顯升高，經(jīng)去應(yīng)力熱處理后又降低，半精加工后升高，精加工后降低。最終殘余應(yīng)力處于熱處理與去應(yīng)力熱處理之間的水平。

（3）盤件在加工時(shí)，半精加工的加工參數(shù)選擇較為重要。為避免引入更高的殘余應(yīng)力，應(yīng)盡可能選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量。

（4）為更好地消除加工殘余應(yīng)力，獲得更好的表面精度，盤件的去應(yīng)力熱處理應(yīng)調(diào)整至半精加工之后。

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收稿日期：2022-05-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51705348）；國家科技重大專項(xiàng)（2017-Ⅵ-0009-0080）

作者簡介：蘇雷（1982－），男，陜西長安人，工學(xué)碩士，高工，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)零部件試驗(yàn)及驗(yàn)證，E-mail：sulei2120@163.com。*通訊作者：黃坤蘭（1987－），女，四川德陽人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造，E-mail：huangkunlan@scu.edu.cn