高溫合金整體葉環高效粗開槽加工技術研究

文|中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 趙辭

整體葉環是新一代先進航空發動機采用的重要構件，一般選用高溫合金材料。由于葉環類零件葉片沿軸向相互遮擋，葉片間距狹小，葉型扭角大，開放性差以及材料難加工，導致該類產品銑削加工時單一刀軸無法粗開槽加工，多軸聯動粗開槽刀具損耗嚴重，無法實現均勻余量粗開槽要求。本文以某型號整體葉環為載體，針對高溫合金整體葉環結構特點，開展高效粗開槽技術試驗研究，解決了高溫合金整體葉環零件粗開槽加工后余量不均勻、加工效率低和加工成本高的難題。

一、引言

隨著技術發展，高推重比是新一代先進航空發動機性能的重要指標，因此發展和采用先進的輕質高性能材料與高結構效率的整體、輕量化結構是目前主要的發展趨勢。復雜整體結構、高強輕量化材料的采用不僅使航空發動機構件結構簡化、重量減輕，而且節省了大量復雜的零組件之間的裝配過程，減少了零件數量，提高了發動機整體性能，但也使機械加工技術難度大大提高。

整體葉環類零件是航空發動機上采用的新結構零件，本文研究的高溫合金整體葉環零件由內環、外環和葉片三部分構成，零件的內環和外環為薄壁結構，葉片部位為典型的型腔結構，內／外環與葉片的轉接R形狀復雜，且葉片型面比較復雜，扭角比較大，沿軸向觀察葉片相互遮擋，葉片間空間狹小，導致容刀空間小，需采用小直徑銑刀，導致加工時極易震顫、加工效率低且刀具損耗嚴重，加工過程必須采用適合的工藝方法才能保證高質、高效且低成本的實現銑削開槽。該項整體葉環葉片銑削開槽方法針對該類整體葉環零件，采用多矢量驅動固定軸分層、分區域對接的銑削方式，應用普通端銑刀實現均勻余量的粗開槽加工。

二、高溫合金整體葉環工藝性分析

1、高溫合金整體葉環結構

本文以某型號零件為載體,該零件閉式整體葉環結構，材料為高溫合金，葉環零件最大外側直徑尺寸：Φ530mm；最小內側流道直徑尺寸：Φ460mm；零件厚度為30mm；葉片的最大弦寬尺寸：40mm；葉片總數：130片；相鄰葉片最小間距：約9mm；葉環內外環厚度為2～5mm；葉片長度約30～33mm；葉片表面形位公差要求較高，最嚴前緣輪廓公差±0.04mm，由于葉片間空間狹小，葉片部位扭角較大，葉片與內外流道轉接R1.2mm。零件示意圖如圖1所示。

2、主要技術要求

整體葉環葉型主要技術要求：葉身型面前緣面輪廓度0.12mm，后緣輪廓度0.15mm，盆背輪廓度0.18mm，前緣厚度公差0.12mm、最大厚度公差0.2mm，后緣厚度公差0.1mm，弦長公差0.2mm，換算扭角公差25′；葉身表面粗糙度Ra0.8μm，兩流道面粗糙度Ra0.8μm；葉片位置度為Φ0.15mm，流道面輪廓度為0.20mm。

圖1 閉式整體葉環結構示意圖

3、材料特性

高溫合金有許多高熔點合金元素，構成了純度高、組織致密的奧氏體合金，切削加工時塑性變形大。其導熱率低，約為45#鋼的1/5～1/3。高溫合金中存在大量的碳化物、氮化物及金屬間化合物，特別是Ni3（Ti、Al、Nb）所形成的γ′相，在相當高的溫度內，隨溫度升高，硬度反而升高。在一定的溫度范圍內，材料仍能保持相當高的強度和硬度。

鑒于高溫合金材料的上述特性，使得高溫合金在切削加工時，切削載荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45#鋼的1.5～2倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750～1 000℃）下，刀具產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損；加工硬化現象嚴重，已加工表面的硬化程度可達200%～500%。因此，高溫合金的可切削加工性能低，機械加工比較困難。

4、工藝性分析

據有關資料介紹，國外整體葉環類復雜一體化結構零件通常采用電解、電蝕和復合加工等工藝方法。國內蘇州電加工研究所和北京電加工研究所等單位研制出五軸電火花成型機床，能夠實現整體葉環類復雜零件電火花成型加工。但是電火花加工后在零件表面會產生重熔層、熱影響區和微裂紋和積碳等問題，需要采用磨粒流工藝進行表面處理。但目前大尺寸整體葉環類零件的后續處理工藝無法滿足當前生產需求，因此采用五坐標數控加工是當前的首選方案。

高溫合金整體葉環材料硬度高，葉片型面比較復雜，扭角比較大，葉片間空間狹窄，內／外環與葉片的轉接圓角形狀復雜，加工過程中數控編程困難。同時，由于葉環的結構特點導致容刀空間小，需采用小直徑銑刀，加工時極易震顫，難以保證加工質量。

三、整體葉環高效粗開槽

針對整體葉環類零件葉片沿軸向相互遮擋，葉片間距狹小，葉型扭角大，單一刀軸無法粗開槽加工，多軸聯動粗開槽刀具損耗嚴重，無法實現均勻余量粗開槽等問題，采用多矢量驅動固定軸分層、分區域對接的銑削方式，選擇合理端銑刀、銑削加工參數和加工工步實現整體葉環均勻余量銑削粗開槽。開槽去除實體的簡化模型如圖2所示。

圖2 開槽去除實體的簡化模型

1、分區域對接粗開槽的工步設計

根據高溫合金整體葉環結構和材料特點，制定整體葉環粗開槽銑削流程：進氣端預鉆孔→①進氣端型腔銑葉背→②進氣端型腔銑葉盆→排氣端預鉆孔→③排氣端型腔銑葉盆→④排氣端型腔銑葉背→⑤銑排氣端流道及清根，加工工步示意圖如圖3所示，采用從進排氣端兩側對接加工，兩側各加工50%左右距離。

圖3 整體葉環粗開槽銑削加工工步示意圖

2、預鉆孔設計

根據整體葉環葉片間距大小和葉型的開敞情況合理選擇預鉆孔的直徑，如圖4～7所示，該葉型尺寸選擇預鉆孔直徑為8mm；根據葉型的扭轉情況合理選取預鉆孔矢量方向，使進排氣邊預鉆孔貫穿，并位于葉片間居中位置，給予后續銑削良好的進刀空間。

3、銑削用刀具選擇

由于該方法以降低刀具成本和提高加工效率為目的，因此選用標準的端銑刀進行加工，并根據整體葉環葉片間距、葉型流道轉接R大小和加工強度需求，盡量選取較大刀具直徑，如例葉型最小流道寬度：8mm、轉接R2.5±0.5，并考慮刀軸擺動空間等因素，選擇Φ6R1.5的端銑刀進行加工。

圖4 進氣端預鉆孔剖視圖

圖5 進氣端預鉆孔俯示圖

圖6 排氣端預鉆孔剖視圖

圖7 排氣端預鉆孔俯示圖

4、加工矢量設計

根據加工工步安排和葉型扭轉情況，分區域調整刀軸矢量方向，對進排氣邊葉盆、葉背選擇不同的刀軸方向，使刀軸矢量最大限度逼近所加工區域的葉型弦線，進排氣邊葉盆、葉背及清根加工矢量示意圖如圖8、9所示。

圖8 進氣邊葉盆、葉背所選擇的加工矢量示意圖

圖9 排氣邊葉盆、葉背及清根所選擇的加工矢量示意圖

5、加工軌跡設計

固定軸分層型腔銑的加工策略可以提高加工穩定性，避免刀軸的劇烈變化帶來的切削力的劇增，同時采用預鉆孔圓弧進刀的方式，有效降低進刀量過大時對刀具的沖擊，并對不同的工步和切削區域的劃分選擇不同的刀軌形式，包括型腔銑回字型刀軌、型腔銑單側銑刀軌和清根加工刀軌等，如圖10～12所示。結合圖3工步示意圖，該零件①進氣端型腔銑葉背及③排氣端型腔銑葉盆采用型腔銑回字型刀軌；②進氣端型腔銑葉盆及④排氣端型腔銑葉背采用型腔銑單側銑刀軌；⑤銑排氣端流道及清根采用清根加工刀軌。可以避免生成重疊刀軌和較多空刀軌，極大地提高了材料去除率和加工效率。

圖10 型腔銑回字型刀軌

圖11 型腔銑單側銑刀軌

圖12 清根加工刀軌

6、切削參數選擇

切削參數的選取首先需要考慮刀具壽命保證刀具有足夠的切削壽命完成切削；同時盡量以一定的材料去除率提高加工效率；并兼顧獲得較均勻的加工余量。本高溫合金整體葉環粗銑時選擇每層切深為0.3～0.5 mm ，刀具每齒進給0.03～0.05mm，切削速度為30～40 m/min。

四、粗開槽試驗

在某型號零件工藝件上進行試驗加工，并在首件上完成試驗驗證。通過試驗確定了粗銑工藝路線及刀具類型及尺寸、刀具壽命，切削參數。

粗開槽：S1500，F140；清根：S1500～S1800，F100～F200。刀具類型及尺寸：Φ6R1.5端銑刀；Φ5R1端銑刀。刀具壽命：Φ6R1.5端銑刀 1槽/把；Φ5R1端銑刀 3槽/把。驗證結果：余量均勻0.5mm，加工時間80h。

五、結語

通過采用這種分層、分區域調整刀軸矢量方向的銑削方法，在非多軸聯動銑削的情況下，使刀軌最大限度的逼近葉型曲面，保證粗加工后余量均勻的同時避免生成重疊刀軌和較多空刀軌，可以極大地提高了材料去除率和加工效率，實現葉環粗銑加工時間80h。通過對高溫合金整體葉環高效粗開槽技術的研究，解決了高溫合金整體葉環零件粗開槽加工后余量不均勻、加工效率低和加工成本高的難題。