新結構渦輪盤的設計

新結構渦輪盤的設計

渦旋胎盤是航空發(fā)動機的重要部件。隨著電機性能的提高，發(fā)動機盤的零件結構也發(fā)生了很大變化。新結構渦輪盤不但具有雙翼安裝邊結構,與輪盤輻板形成了大深度半封閉型腔,使得進、退刀困難,加工難度大大增加,同時該類渦輪盤直徑大,輻板及雙翼安裝邊處均為壁薄結構,最薄壁厚分別為2.1~2.5mm,零件剛性差,形狀復雜,圓弧轉接多,加工變形嚴重。渦輪盤尺寸精度高,形位公差嚴格,如:某級渦輪盤零件內孔配合尺寸公差0.05mm、垂直度0.01mm;安裝邊至輪緣端面軸向尺寸公差0.03mm、輪緣端面平面度0.015mm;精密配合孔均布位置度公差φ0.03mm,零件材料為高溫合金GH4169,加工中切削力大,增加了零件變形的產生。因此有必要研究全新的加工工藝路線和數控加工工藝方案。1輪盤兩側輻板參數分析本文所述渦輪盤是大直徑帶有雙翼安裝邊復雜結構的環(huán)形薄壁盤件,具有尺寸精度高、結構形狀復雜、薄壁剛性差、材料難加工的特點,特別是帶有懸臂的雙翼安裝邊,與輪盤的輻板表面形成了半封閉深型腔結構,敞開性差,給切削加工造成極大困難,加工質量不易保證,如圖1所示。其主要結構:輪緣處有均布的燕尾形榫槽,φB、φC等直徑配合表面,兩側安裝邊與輪盤兩側輻板形成了大深度半封閉型腔,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。輪盤外徑φ6400-0.1mm、跳動0.02mm;盤心孔直徑為φB0+0.05mm、垂直度0.01mm;一側安裝邊至輪緣端面軸向尺寸28.20-0.03mm、平面度0.015mm;輪盤輻板為不等厚結構,靠多處坐標值控制輻板厚度,輻板最薄處壁厚僅為2.6mm。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。輪盤兩側雙翼安裝邊厚度2.3~3.5mm,兩端面平行度0.025mm,由于雙翼懸臂較長,錐壁厚僅2.3mm為,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。輪盤兩側安裝邊上帶有32-φ6H8(0+0.022)等精密配合孔、位置度均為φ0.03mm,再加上材料硬度高、切削性能差等因素,工件的加工難度非常大。2渦旋滾加工工藝的方案2.1直接時效的測定渦輪盤毛坯采用模鍛件,材料為GH4169,熱處理狀態(tài):直接時效,硬度≥388HB。根據以往加工盤類工件的經驗和對該盤件進行工藝性分析,考慮到工件的特殊結構及材料的加工特點等因素,制定雙翼安裝邊結構渦輪盤主要加工工藝流程如圖2。2.2加工對材料的要求雙翼結構渦輪盤在車削加工過程中,由于其特殊的薄壁結構,且從毛坯到成品有較大的加工余量,因而會產生較大的切削力,加上材料本身的鍛造應力的影響,工件加工中極易產生變形,從而造成工件尺寸難以保證,技術條件達不到設計要求。因此制定合理的加工工藝方案,優(yōu)化設計刀具結構和刀具材料,確定先進合理的數控走刀路線,優(yōu)化數控程序和切削參數,試驗摸索加工變形規(guī)律,有效地控制加工變形,是保證加工質量的關鍵。2.2.1粗車加工中刀具材料的應用雙翼結構渦輪盤半封閉深腔加工中走刀困難,為防止加工過程中刀具與工件碰撞,刀具結構設計成為關鍵,通過對加工過程的模擬仿真,設計車刀結構如圖3所示。(2)刀具材料在進行毛料的粗車加工時,去除的余量較大,切削過程中沖擊性較大,由于此時對工件的表面粗糙度及尺寸精度要求不高,考慮到加工的經濟性,所以在粗加工時首先在國產刀具材料中進行選擇,根據以往加工經驗,在粗加工時選用了YD15材料刀具。精車加工中綜合考慮到加工質量、加工效率和經濟性,選用進口刀具進行了切削試驗。先后選擇了CBN、涂層硬質合金及非涂層硬質合金等材料的刀具進行了切削試驗,最終結果表明涂層硬質合金刀具加工效果好,性價比高。2.2.2生產設備及工藝由于渦輪盤工件的薄壁結構,為減小加工變形,加工過程中工件的裝夾定位不能采用徑向直接夾緊的方式,而必須采用軸向定位、壓緊的方式進行,因此需設計專用夾具,完成工件安裝定位和加工,并盡量使定位基準和設計基準、測量基準重合。圖4是工件的裝夾示意圖,采用6處壓板壓緊,由于定位面和壓緊面是直接相對的表面,增強了定位壓緊的可靠性,夾具采用定位環(huán)快換結構,不但在一套夾具上可有效完成半精車和精車加工任務,而且可以在5道工序上進行應用,有效減少了工裝數量。為提高工件剛性、減小加工中的振動和變形,夾具上帶有可調節(jié)的輔助支撐,對輪盤的輪轂端面進行支撐,保證工件加工精度要求。2.2.3加工工藝渦輪盤輻板非常薄(最薄處2.6mm),半封閉深型腔不但徑向深度大,而且軸向開口窄,若采用普通機床依靠成形車刀大余量加工圓弧表面,必然產生大的加工應力而引起加工變形,因此在車加工中采用了數控車床、機夾刀具加工,數控車加工走刀路線如圖5所示。去除余量時,采用多次進刀,控制吃刀深度,同時必須保證刀具鋒利,冷卻充分,在加工余量剩余0.3~0.4mm時,注意更換新刀片,以減小工件變形。選用切削參數:v=40~45m/min,ap=0.2~0.4mm,f=0.1mm/r。(2)鏜孔加工由于渦輪盤兩側安裝邊精密孔孔徑公差0.018mm,位置度要求0.03mm,故采用坐標鏜床加工,通過打中心孔、鉆孔、擴孔、鏜孔、鉸孔的工藝加工方案,保證了精密孔尺寸精度及位置公差要求。為避免加工變形引起孔的位置度超差,特將鏜孔工序安排在拉榫槽和銑花邊工序之后進行。在輪盤鏜孔加工過程中,也可根據工件精度要求安排兩次鏜孔工序,第一次粗鏜孔,留有一定的加工余量,加工后的孔可以用作拉削榫槽時夾具角向定位用,拉削榫槽以后,再安排一次精鏜孔,目的是防止拉槽后零件直徑變化,對鏜孔位置度產生影響。3在處理過程中，困難問題的分析3.1上刀方式調整深腔型面加工其刀具結構、走刀路線、切削用量的選擇對保證加工質量非常重要,必須確定合理的走刀軌跡、優(yōu)化進刀方式,如在加工輪盤輻板型面時,為避免刀具與輻板處尺寸R51mm發(fā)生刮碰,通常采用軸向和圓弧方向上刀,盡量避免徑向上刀,在加工型腔根部M處(見圖1)時也應采用這種上刀方式。切削用量選擇的不恰當,也容易造成打刀現象,在試驗件加工中,由于加工時吃刀量過大(0.6~0.7mm),工件切削部分的根部排屑困難,根部切削時刀片包絡面積過大,導致切削力超過刀具所能承受的范圍,從而引起刀具重大變形,使刀板與待切削表面發(fā)生干涉,引起打刀。將每次循環(huán)加工中的吃刀深度調整為0.3~0.4mm,并優(yōu)化了數控程序走刀軌跡,通過模擬仿真,分析刀具在根部的包絡狀態(tài);杜絕了問題的再次發(fā)生。3.2精車輪盤回轉系統(tǒng)精車加工第一面時,首先車削基準端面A和安裝邊錐壁外表面,端面A留0.1~0.15mm的余量,再加工輪盤輻板表面和安裝邊內表面,加工中發(fā)現的問題集中體現在,當輪盤輻板表面和安裝邊內表面加工完成后,基準端面A產生了傾斜變形,輪緣處向里傾斜,輪轂向外傾斜,變形量0.15~0.2mm,其變形程度已經超出了預留的加工余量,造成尺寸28.20-0.03mm無法保證(見圖1)。在精車輪盤另一側時,應先將安裝邊端面和錐壁外表面余量去除,留0.2mm左右的余量,然后加工輻板和型腔內表面,最后再精車安裝邊端面,以保證圖紙要求。針對加工中暴露出的問題,我們及時調整了加工方案,優(yōu)化了加工順序,將預留的加工余量進行了調整,精車輻板時,在輪轂端面增加輔助支承,開始粗加工去余量時,輔助支承必須保證有效、可靠的支承,當加工余量剩余到0.2~0.3mm時,適當松開輔助支承,完成最后精車。同時增加了精車修復工序,通過這些措施有效減小了工件的加工變形,保證了零件尺寸精度和嚴格的形位公差要求。4對加工變形的分析和控制4.1工件變形的原因及預防對策(1)對于高溫合金材料,加工中產生的變形不僅僅是機械加工中的切削應力造成的,工件的毛坯鍛件在鍛造過程中產生的內應力在加工中釋放后,重新達到平衡狀態(tài)同樣會引起較大的變形。內應力的釋放過程,一是時間過程,工件加工的周期越長,內應力釋放的越充分,變形就越小,工件加工周期越短,內應力越不容易得到釋放,變形就越大。(2)不同的材料有不同的變形量。針對高溫合金的機械加工,去除材料的大小也是造成工件變形的主要因素之一,隨著余量的去除,殘留在毛坯中的鍛造殘余應力也得到釋放,因此切削余量大,切削應力大,工件變形隨之增加。(3)通常認為工件機械加工中的切削應力是造成變形的主要原因,而采用控制工藝參數和增加消除應力熱處理的方法來補救,但在實際加工中證明,加工變形與鍛造工藝過程及工藝參數有關。(4)工件加工的工藝路線、加工順序和走刀軌跡、切削用量、刀具材料的選擇、工件的定位裝夾方式等工藝方案是否合理,直接影響到工件的加工變形。4.2孔隙率的影響及加工工藝優(yōu)化(1)劃分加工階段,合理分配各工序的加工余量。盤類件加工過程分為粗加工、半精加工和精加工3個階段。為減小工件變形,應優(yōu)化、細化加工工藝路線,合理分配各加工階段的加工余量,盡可能在粗加工時去除更多的余量,使工件早一些釋放應力。(2)采用工序集中的原則,正確選擇定位基準。工序集中后,可以減少裝夾定位次數,減小定位誤差。薄壁輪盤加工中的裝夾最好采用專用夾具、軸向壓緊的方式,避免直接采用徑向夾緊方式。同時應注意修正工件端面基準的平面度,避免基準面變形,影響工件定位和加工精度。(3)優(yōu)化、固化切削參數。在粗加工時也應盡量控制切削深度不至過大,通過多次進刀完成大余量的去除。這樣可以有效地減小加工應力,精加工留有盡可能小的加工余量,保證最終加工后應力較小。(4)由于盤類件超聲波后的盲區(qū)余量較大,故在超聲波檢查后安排半精車工序,盡可能在精車加工前對型槽、型腔部位進行開槽,使精車加工余量減小且保證余量均勻,這對減小工件軸向尺寸變形非常有利。(5)薄壁輪盤在榫槽拉削加工后會產生較大的變形,一般精車加工后徑向尺寸如:輪盤大外圓、盤心孔等,經拉削榫槽后會普遍縮小,也會使工件各表面的形位公差發(fā)生改變,因此應摸索變形規(guī)律,采用尺寸補償的方法或增加修復加工工序消除變形的影響。(6)增加消除應力熱處理工序。薄壁輪盤在粗車加工后、半精車加工后,都要安排消除應力熱處理工序,使加工中的應力得到有效釋放,這樣可以減小精加工中的變形。(7)噴丸前后的尺寸測量及修復加工。噴丸過程中,不可避免地會使工件產生變形,造成工件尺寸發(fā)生變化。為了摸索噴丸后尺寸變化規(guī)律,在噴丸前、噴丸后要對一些重要尺寸進行測量,安排修復加工工序,對于難以修復的重要尺寸,則需要考慮在噴丸前預留變形量等尺寸補償辦法解決變形問題。5鍵轉動部件加工工藝航空發(fā)動機性能水平的提高,不僅僅依靠提升設計水平,而