某型渦輪轉子加工工藝研究

摘要：渦輪轉子是某型產品核心零件，該產品通過兩次焊接、機械加工制成。零件為異種材料焊接而成，不易裝夾，材料加工難度大。加工過程中通過摸索加工參數和裝夾方式，制定合理的工藝流程以及加工參數來控制產品的變形，保證零件最終要求。通過此次工藝研究，摸索出了高溫合金渦輪軸類的加工方法，解決了這個領域異體焊接的工藝問題。

關鍵詞：渦輪；參數；加工

1 課題研究的目的和意義

1.1 研究的目的和意義

801渦輪轉子是某型產品的核心動力部件，產品的質量直接關系到該型號發動機的性能。該渦輪轉子為不同材料的3種單件焊接而成，整體葉盤和焊接軸頸的材料為不同材料（高溫合金和不銹鋼材料），正常的真空電子束焊不能焊接成功，且該渦輪轉子的機加精度很高，為了滿足產品的客戶需求，特對該渦輪轉子組件加工工藝進行研究。

1.2 零件結構分析

渦輪轉子801為典型的盤軸類零件，零件經過單件001、002、003兩次焊接而成，單件為不同材料，一種為高溫合金k417，一種為不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV；軸的小端和中端各有一處外花鍵，在小端靠近花鍵處帶有外徑螺紋，在靠近整體葉盤的附近有一處蓖齒結構。此零件的高精度是此零件加工過程中的難點問題。

2 制造工藝準備

2.1 工藝規程的編制

2.1.1 工藝難點分析

通過分析，借鑒我們日常生產中積累的經驗可以初步判斷出主要的幾個工藝難點：

a.在加工的過程中，軸端的D1圓柱度0.003、對基準AB的雙跳動0.008、對基準A的同軸0.008，中徑D2對基準AB的跳動0.012，精度要求很高且不易保證，因此，如此精度的產品工序應安排高精外圓磨床上進行加工。

b.該產品要經過兩次焊接工序，零件會產生應力導致零件變形，那么應在焊接后再進行轉子的精加工；首次焊接不同材料高溫合金應制做焊接試驗件，摸索焊接參數，以確保渦輪轉子的最終質量。

c.機械加工中，轉子的裝夾應該注意裝夾變形和夾傷的問題，如雙頂磨削時，注意不要用力過大，將軸頂彎，產品的防護同樣非常重要，裝夾時要及時墊放紗布或者銅皮對軸頸進行保護。

d.由于整體葉盤的材料為高溫合金K417材料，加工中對刀具的要求非常高，應該選擇硬質合金涂層刀片進行切削，并嚴格控制切削三要素，在轉速、進給、吃刀量上確定出合理的參數（轉速40r/min，進給0.15mm，吃刀量0.5mm），及時更換刀片，刀具要分粗精加工。

e.該轉子是高溫合金精鑄整體葉盤和機加不銹鋼軸焊接而成，通常精鑄整體葉盤的不平衡量非常大，精加工完再去做動平衡會導致在最終的動平衡工序時去重的余量不足，致使整體葉盤和整個渦輪轉子最終報廢。這就需要安排一道粗平衡工序，在渦輪轉子記錄不平衡量的方位和大小，在后續的車工中給動平衡留夠余量去重，以滿足最終的動平衡要求。

2.1.2 工藝路線的確定

根據以上簡單的分析制定大致工藝路線如下：

10焊接20車工30車工40插花鍵50磨工60去毛刺70洗滌80尺檢90動平衡100去重110最終檢驗

2.2 工藝裝備的準備

2.2.1 夾具準備

該產品是典型的盤軸類零件，在磨削、焊接、插花鍵、鉆孔等工序中需要專用夾具，尤其是焊接工序沒有焊接工裝是無法進行的，因此，需訂制焊接夾具；生產軸類產品，在機械加工過程中是少不了雙頂尖、中心架、牛皮、紗布、銅皮等輔助二級工具。

2.2.2 測量方法初步選定

a.花鍵檢測：通常我們用綜合花鍵量規對花鍵進行檢測，因此需訂制兩種花鍵綜合量規，也可到齒輪測量機進行檢測。

b.軸頸檢測：渦輪轉子的軸頸精度很高，基本上在0.01mm以內，通常需要用分離卡檢測。

c.形位公差檢測：軸類零件的加工，在同軸度、跳動、雙跳動、圓度上要求比較嚴格，通?？梢圆捎迷跈C床上、雙頂尖工作臺用打表的方式進行檢測或者用三坐標測量機、圓度儀、型面儀等先進設備進行測量。

d.焊縫檢驗：焊縫表面應光潔，并圓滑過渡到母材，焊縫表面應無裂紋、縮溝、焊瘤、未熔合等缺陷，并且需要做X光、滲透、CT等無損探傷檢測，性能拉伸等試驗。

2.2.3 其他工藝裝備的準備

在加工過程中，其他所需專用的裝夾量具， 包括車刀、鉆頭、絲錐、砂輪等；這些工藝裝備的準備基本采用進口合金刀具，只要能滿足加工高溫合金K417材料要求即可。

3 主要制造過程控制

3.1 焊接方法的摸索及改變

該產品中組件是001和002焊接而成，由于單件材料不同，001為高溫合金K417，002為1Cr11Ni2W2MoV，焊接時發現不能正常焊接到一起，焊縫經過無損探傷檢驗后，發現有裂紋，性能也不能達標。經過分析，有一種焊接方法也許可以滿足這樣的焊接要求--擴散焊接法。這種焊接方法，目前在國內只有某高校的技術較為先進。該高校歷經四輪擴散焊焊接試驗，焊縫的質量滿足了性能要求，保證了最終的設計性能要求。

3.2 軸類的磨削

磨削工序是保證該渦輪轉子質量的關鍵工序。磨削時，對磨削參數的選擇至關重要。該軸頸為K417和1Cr11Ni2W2MoV材料。根據實戰經驗，一般普通白剛玉砂輪磨削效果理想，需采購CBN金剛石砂輪，金剛石砂輪能夠很好的對該材料進行磨削。磨削時采用雙頂裝夾磨削。

砂輪名稱及參數為：金剛石砂輪，磨料RVD，粒度70/80，結合劑B，濃度100%。

經過對試驗件的磨削試驗，最終磨削參數為：主軸轉速50r/min，磨頭轉速1500r/min，上刀量0.005。

3.3 花鍵的加工

花鍵在傳遞較大扭矩的同時，還要承受強烈的沖擊和振動，齒表面還會存在摩擦和磨損以及較高溫度和速度的考驗。其使用條件要求材料具有高度強度、好沖擊韌性、較高的表面硬度及一定的熱硬性和熱強度，為了滿足零件的使用要求和熱處理工藝性能要求，需對渦輪軸進行滲碳、淬、回火工藝，有效滲碳層為0.25～0.50 mm，零件表面硬度≥HRC60，心部硬度≥HRC 33～43。

加工花鍵工序中，需要訂制專用的插齒刀，其中一把插齒刀需要加長，至少200mm。

插花鍵參數：主軸沖程為80次/min，粗插上刀量為0.5mm，最終精插每刀0.01mm。

4 結論

通過本次對整個工藝流程的研究，更深的掌握了盤軸類零件的加工技術，從零件裝夾到加工，從加工再到測量，綜合了焊接、車工、磨削、插花鍵、鍍鉻、檢驗等多種工序，對盤軸類產品的結構和性能有了更深的了解。

但仍存在一些技術問題沒有吃透，問題總結如下：

a.參數合理化問題：

這包括機加參數和焊接參數。

渦輪轉子在車削時要控制上刀量，例如在半精加工時，每次上刀量為0.5mm，刀具磨損嚴重，讓刀現象頻現，這樣會導致零件因受外力而變形，同時零件內部也聚集了大量的應力，給后續加工埋下了質量隱患。因此在加工高溫合金零件時，我們盡量采取低轉速、小吃刀量、低進給的方法進行車削。

焊接參數也需要經幾次試驗來確認，不能盲目的憑借經驗主義焊接，本次研制過程中，因為焊接原因報廢了2件產品。

b 影響零件變形的因素：

影響變形的因素大致總結為以下幾種：（1）加工過程中的裝夾變形；（2）零件內部的應力變形；（3）焊接熱力變形；

通過不斷的總結和改進，更加的完善了工藝規程，增強了工藝流程的可操作性和實用性。