渦輪盤組件鉆削加工

唐玉潔

(中航工業金城南京機電液壓工程研究中心 十三分廠，江蘇 南京 211106)

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渦輪盤組件鉆削加工

唐玉潔

(中航工業金城南京機電液壓工程研究中心 十三分廠，江蘇 南京 211106)

摘要：渦輪盤組件加工困難較大，特別是組件中高溫合金零件輪箍的材料硬度高，在鉆削加工過程中存在冷硬現象嚴重、切削力大、導熱性差和刀具易磨損等問題，造成產品加工質量不穩定。經過分析和試制，以現有設備及刀具，從零件裝夾、鉆頭選擇、鉆頭修磨和切削參數選擇等方面對鉗工鉆削加工高溫合金零件進行了技術分析。采用這些加工技術和方法，保證了產品的加工質量。

關鍵詞：渦輪盤；高溫合金；鉆削加工

渦輪盤組件由渦輪盤和輪箍組成(見圖1)，渦輪盤上的35個φ2.7 mm孔與輪箍上的35個φ2.7 mm孔配合加工，然后通過鉚釘將這2種零件鉚接在一起。渦輪盤的材料為鋁合金LD7，其材料硬度較低；輪箍的材料為高溫合金GH4169[1]，其材料硬度高(≥320 HV)，2種材料差異較大。設計要求渦輪盤和輪箍鉚接后的局部間隙≤0.2 mm，因此組件的加工困難較大，尤其是對于高溫合金零件，加工更加困難。

圖1　渦輪盤組件示意圖

經分析和試加工，在不增加專用設備和刀具的情況下，利用Z5740立式鉆床，找到了解決此生產難題較理想的加工方法。

1零件材料分析

該組件加工的主要困難在于高溫合金的加工，因此本文主要分析高溫合金的加工特點[2]。與一般鋼材相比，高溫合金的切削加工難點要表現在如下幾個方面。

1)冷硬現象嚴重。在材料產生塑性變形時，存在著強化和軟化的現象。由于高溫合金的軟化溫度高，軟化速度低，所以硬化現象嚴重。切削高溫合金時，已加工表面的硬度比基體硬度高50%～100%。

2)切削力大。在600 ℃以上的切削溫度下，鎳基高溫合金材料的強度仍高于普通合金鋼材料，未強化處理的高溫合金單位切削力>4 000 N/mm2，而普通合金鋼的切削力僅為2 500 N/mm2。

3)導熱性差。切削高溫合金時產生的大量切削熱由刀具承受，刀尖承受了高達800～1 000 ℃的切削溫度，高溫和大切削力將導致切削刃產生塑性變形、粘結與擴散磨損。

4)易造成刀具磨損。在高溫合金中，含有許多金屬碳化物、氮化物、硼化物及金屬間化合物。高溫合金的加工硬化嚴重，所以在切削過程中，刀具的磨損很大。在高溫高壓下，由于刀具材料和被加工材料間親和力及粘附力的作用，刀具和切屑產生熔焊現象，造成粘結磨損，甚至造成刀具切削部分崩落而失去切削能力。

2組件鉆削加工難點

組件鉆削加工有如下技術難點。

1)不能直接觀察到鉆頭切削情況，只能憑加工者的經驗，聽聲音、看切屑。

2)孔加工是半封閉的切削，切削熱不易發散，產生的高切削熱和斷屑困難的切屑難以及時排出，遠離刀尖，使鉆頭磨損更為劇烈。在使用普通麻花鉆加工高溫合金時，按普通材料切削用量加工，僅幾分鐘，刀尖就呈現出藍色表面的燒傷現象。一般鉆削過程中，80%的切削熱被切屑帶走，而輪箍加工由于零件硬度高，不易加工，鉆頭本身吸收了大量的切削熱，導致鉆頭的切削性能降低。用普通的鉆削方法難以保證高溫合金孔的精度要求，其原因是鉆削軸向力大，當使用系統剛性較差的設備加工時，鉆頭易產生較大的彎曲，導致鉆頭偏斜，影響加工精度。

3)高溫合金熱強性能好，但加工性能差。原因是其塑性變形大，切削力大，加工硬化嚴重，熱導率低，切削溫度高，切削時容易粘刀，且合金中硬質點多，刀具磨損嚴重。高溫合金鉆削加工，鉆頭磨損比鉆削普通鋼材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料，成本較高。

4)鉆頭修磨困難。鉆削高溫合金，要求鉆頭有更好的精度，關鍵是鉆尖的結構，包括鋒角、橫刃寬度、前角以及鉆尖的對稱性。

3加工方法及步驟

1)裝夾、找正。將渦輪盤及輪箍以內孔定位裝夾到工裝上時，零件應緊固好，以防止輪箍和渦輪盤間隙不能滿足設計要求。將工裝安裝到機床工作臺上，用百分表找正，工裝表面跳動≤0.01 mm，以保證零件中心與機床主軸平行；否則，加工出的孔會影響后續工序的加工。刀具的裝夾應選用高精度的刀柄夾頭。

2)鉆頭的選擇。加工高溫合金小孔的刀具材料，推薦使用超細顆粒硬質合金(如YG8、YG6X)，這種材料具有優異的耐磨性和很低的摩擦因數，是目前難加工材料切削最常用的刀具材料。

3)鉆頭修磨。加工示意圖如圖2所示。φ2.5 mm鉆頭直徑小，剛度不好，在輪箍對鉆頭的徑向力Fy作用下，鉆頭的軸線容易發生偏移，鉆出孔的位置偏移會影響后續的鉚接加工，使加工質量不穩定；所以，減小軸線偏移就必須減小鉆頭徑向受力。受力分析圖如圖3所示。

圖2　加工示意圖　　　　圖3　受力分析圖

由圖3可知，徑向力Fy和軸向力Fx分別為：

式中，α是鉆頭鋒角；Fr是切削合力。由Fy的計算公式知，增大鉆頭的鋒角α可減小Fy。鉆削高溫合金鉆頭的鋒角推薦為135°～140°，橫刃修磨成0.2 mm[3]。將鉆頭鋒角磨成140°，徑向切削力Fy減小，但鋒角增大，可導致散熱性能差，鉆頭磨損嚴重。為解決這個問題，可將鉆頭修磨出鋒角為50°(一般≤75°)的第二鋒角，并在外緣刀尖角處研磨出兩邊R0.2 mm的圓弧過渡刃，表面粗糙度

圖4　鉆頭修磨示意圖

4)切削參數的選擇。在鉆削渦輪盤組件過程中要及時排屑，機床主軸轉速為500～710 r/min，切削進給量為0.05 mm/r，切削速度為0.2 m/s。

在一般情況下，鉆削可以用外冷方式，加工高溫合金有效的冷卻是不可少的，經過分廠實際使用驗證，用10%～15%乳化液或硫化油，優于其他冷卻液，而且還能提供適當地潤滑，可大大降低因切削而產生的高溫，減小鉆頭損耗，提高工件表面粗糙度和精度。為了改善鉆孔的冷卻條件，應盡量接近鉆頭軸線，使夾角<30°，與鉆頭螺旋槽方向一致。為改善冷卻和排屑效果，采用間隙進給方式，即每加工一定深度立即退刀，以防止由于切削刃空轉與孔壁反復摩擦而增加高溫合金材料的加工硬化層厚度，鉆尖要全部退出，其目的是對鉆頭及孔內進行冷卻，提高切削液冷卻效果，改善排屑條件。加工完成后應及時進行清洗。

4結語

采用上述加工技術及方法，經過生產實踐驗證，對保證渦輪盤組件加工的可操作性、產品合格率起到了較好的作用，加工效率較高，加工質量穩定。

參考文獻

[1] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京：中國標準出版社，2002.

[2] 鄭文虎.難切削材料加工技術問題[M].北京：北京出版社，2001.

[3] 陳宏鈞.實用金屬切削手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

責任編輯馬彤

Drilling Process for Turbine Disc Assembly

TANG Yujie

(Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, Jincheng, AVIC, Nanjing 211106, China)

Abstract：The turbine disc assembly is difficult for processing. Especially, due to the high hardness material used for high-temperature alloy wheel rim, the problems such as serious chill hardening, large cutting force, poor thermal conductivity, and quick-wear tools exist during drilling process which will cause the instability of product machining quality. According to the analysis and trial-manufacture, with the existing equipment and tools in branch factory, technical analysis is performed from the aspects such as parts clamping, drill selection, drill polishing, and selection of cutting parameters. With these processing technology and methods, the machining quality of product can be guaranteed.

Key words:turbine disc, high-temperature alloy, drilling process

中圖分類號：TG 52

文獻標志碼:B

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：唐玉潔(1983-)，女，工程師，主要從事機械制造加工工藝等方面的研究。