某新機四級渦輪盤變形控制技術研究

邊景全++萬秀屏++宋奪

摘 要：某新機是新一代高性能發動機，低壓四級渦輪盤是發動機中渦輪轉子中的核心轉動部件，因受零件結構限制，其加工時易產生變形，零件合格率低。通過優化渦輪盤加工工藝路線、加工余量及切削路徑，控制切削參數，提高零件加工質量，提高零件合格率。

關鍵詞：渦輪盤；變形控制；工藝方案；修復加工

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

0.引言

隨著航空發動機的性能、可靠性及推重比要求的不斷提高，其結構上廣泛采用薄壁結構，以減輕自重，所以盤類結構零件的腹板厚度越來越薄，零件的加工變形問題凸顯。本文從影響薄壁渦輪盤加工變形的因素出發，制定了減小薄壁渦輪盤加工變形的工藝方案，通過調整、優化渦輪盤加工工藝方案、加工余量及切削路徑，控制切削參數，降低機械加工應力，減小零件機加后變形，研究精車加工后的修復加工工序，提高零件加工精度和尺寸合格率。

1.零件工藝分析

某發動機低壓四級渦輪盤是大直徑帶有雙翼安裝邊復雜結構的環形薄壁盤件，具有尺寸精度高、結構形狀復雜、薄壁剛性差、材料難加工等特點，是全新結構的渦輪盤。其主要結構：帶有140個燕尾形榫槽，盤心孔等直徑配合表面，兩側安裝邊與輪盤兩側腹板形成了大深度半封閉型腔，型腔徑向深度達40mm，安裝邊內表面與輪轂端面軸向開口寬度只有20mm，敞開性極差，加工中進退刀困難，需要多把刀具轉接才能完成加工，加工質量不易保證。輪盤兩側雙翼安裝邊厚度2.6mm，兩端面平行度0.05，由于雙翼懸臂較長，錐壁厚僅為2.4mm，加工中極易產生變形，使得雙翼安裝邊內外型面加工難度增大。輪盤腹板為不等厚結構，靠多處坐標值控制腹板厚度，腹板最薄處壁厚僅為2.5mm。各型面轉接處為多圓弧與錐面轉接，要求轉接圓滑，且有輪廓度要求，如圖1所示。

2.變形控制加工工藝路線設計

渦輪盤毛坯采用模鍛件，材料為GH4169，熱處理狀態為時效。通過對零件進行特殊結構、難加工材料分析，根據以往加工經驗制定雙翼安裝邊結構渦輪盤主要加工工藝流程如下：

毛料圖表→車超聲波檢查面→超聲波檢查→粗車→細車基準→細車→清洗→腐蝕檢查→消除應力熱處理→修復端面→精車→電解標印→鏜定位孔→拉榫槽→銑花邊→鏜孔→孔邊去毛刺→清洗→中間檢驗→消除應力熱處理→熒光檢查→清洗→噴丸→噴丸后磨加工修復端面……→包裝入庫。

通過收集摸索影響零件變形主要因素的數據分析對比，優化調整了工藝路線，主要增加了粗車后消除應力熱處理、精車后修復第一面、中間檢驗前磨加工修復工序。增加粗車型腔去余量和粗車后消除應力熱處理工序，半精車由普車改進為數控加工，精車加工后增加一道修復工序，重新調整了加工余量、加工順序和易變形的軸向尺寸等工藝改進措施，提高定位面平面度；采用噴丸前的基準端面修復加工的工藝，為了避免因修復余量不足，在噴丸后修復工序無法修復軸向尺寸，在前邊的精車工序多留余量，又受噴丸后只允許去除0.1mm余量的限制，所以在噴丸前安排一道磨加工修復工序。通過實際加工驗證，以上工藝措施在減小渦輪盤加工變形提高質量方面，具有較顯著效果。優化調整后的工藝路線如下：

毛料圖表→車超聲波檢查面→超聲波檢查→粗車→粗車后消除應力熱處理→細車基準→細車→清洗→腐蝕檢查→消除應力熱處理→修復端面→精車→精車后修復第一面→電解標印→鏜定位孔→拉榫槽→銑花邊→鏜孔→孔邊去毛刺→中間檢驗前磨加工修復→清洗→中間檢驗→熱處理前車加工修復→消除應力熱處理→熒光檢查→清洗→噴丸→噴丸后磨加工修復端面……→包裝入庫。

3.車削加工

3.1 精加工主要加工過程

渦輪盤精加工由于受零件壁厚薄、型腔窄等結構限制，需要多次換刀轉接加工，以保證刀具進退中不與零件發生干涉及接刀處轉接圓滑，在數控編程時，通過模擬仿真確定走刀軌跡和加工順序。精加工時零件安裝邊壁厚和內腔腹板處約2.5mm～2.6mm，在加工中零件易產生變形，而且在加工安裝邊與斜壁、腹板與斜壁等的轉接圓弧R時，容易形成加工盲區，必須配以專用刀桿，規避干涉現象；且零件薄壁剛性差，加工時刀具懸伸長，容易產生振刀現象，綜合考慮上述因素，在去除余量時，采用多次進刀，控制吃刀深度，同時保證刀具鋒利，冷卻充分，在加工余量剩余0.2mm～0.3mm時，注意更換新刀片，以減小零件變形。

3.2 切削參數

Vc=15-25r/min，f=0.11～0.22mm/r，Ap=0.3mm。

結論

以某新機四級渦輪盤為載體，優化調整了加工工藝路線和工藝方案，固化工藝參數，增加修復加工工序等工藝改進措施，零件尺寸合格率由原80%提高到95%，完成了零件的批量加工和交付，大幅度地提高了渦輪盤的加工質量和表面完整性。

參考文獻

[1]王聰梅.航空發動機典型零件機械加工[M].北京：航空工業出版社，2014.

[2]透平機械現代制造技術叢書編委匯編.盤軸制造技術[M].北京：科學出版社，2002.