某新机四级涡轮盘变形控制技术研究

边景全++万秀屏++宋夺

摘 要：某新机是新一代高性能发动机，低压四级涡轮盘是发动机中涡轮转子中的核心转动部件，因受零件结构限制，其加工时易产生变形，零件合格率低。通过优化涡轮盘加工工艺路线、加工余量及切削路径，控制切削参数，提高零件加工质量，提高零件合格率。

关键词：涡轮盘；变形控制；工艺方案；修复加工

中图分类号：TP391 文献标识码：A

0.引言

随着航空发动机的性能、可靠性及推重比要求的不断提高，其结构上广泛采用薄壁结构，以减轻自重，所以盘类结构零件的腹板厚度越来越薄，零件的加工变形问题凸显。本文从影响薄壁涡轮盘加工变形的因素出发，制定了减小薄壁涡轮盘加工变形的工艺方案，通过调整、优化涡轮盘加工工艺方案、加工余量及切削路径，控制切削参数，降低机械加工应力，减小零件机加后变形，研究精车加工后的修复加工工序，提高零件加工精度和尺寸合格率。

1.零件工艺分析

某发动机低压四级涡轮盘是大直径带有双翼安装边复杂结构的环形薄壁盘件，具有尺寸精度高、结构形状复杂、薄壁刚性差、材料难加工等特点，是全新结构的涡轮盘。其主要结构：带有140个燕尾形榫槽，盘心孔等直径配合表面，两侧安装边与轮盘两侧腹板形成了大深度半封闭型腔，型腔径向深度达40mm，安装边内表面与轮毂端面轴向开口宽度只有20mm，敞开性极差，加工中进退刀困难，需要多把刀具转接才能完成加工，加工质量不易保证。轮盘两侧双翼安装边厚度2.6mm，两端面平行度0.05，由于双翼悬臂较长，锥壁厚仅为2.4mm，加工中极易产生变形，使得双翼安装边内外型面加工难度增大。轮盘腹板为不等厚结构，靠多处坐标值控制腹板厚度，腹板最薄处壁厚仅为2.5mm。各型面转接处为多圆弧与锥面转接，要求转接圆滑，且有轮廓度要求，如图1所示。

2.变形控制加工工艺路线设计

涡轮盘毛坯采用模锻件，材料为GH4169，热处理状态为时效。通过对零件进行特殊结构、难加工材料分析，根据以往加工经验制定双翼安装边结构涡轮盘主要加工工艺流程如下：

毛料图表→车超声波检查面→超声波检查→粗车→细车基准→细车→清洗→腐蚀检查→消除应力热处理→修复端面→精车→电解标印→镗定位孔→拉榫槽→铣花边→镗孔→孔边去毛刺→清洗→中间检验→消除应力热处理→荧光检查→清洗→喷丸→喷丸后磨加工修复端面……→包装入库。

通过收集摸索影响零件变形主要因素的数据分析对比，优化调整了工艺路线，主要增加了粗车后消除应力热处理、精车后修复第一面、中间检验前磨加工修复工序。增加粗车型腔去余量和粗车后消除应力热处理工序，半精车由普车改进为数控加工，精车加工后增加一道修复工序，重新调整了加工余量、加工顺序和易变形的轴向尺寸等工艺改进措施，提高定位面平面度；采用喷丸前的基准端面修复加工的工艺，为了避免因修复余量不足，在喷丸后修复工序无法修复轴向尺寸，在前边的精车工序多留余量，又受喷丸后只允许去除0.1mm余量的限制，所以在喷丸前安排一道磨加工修复工序。通过实际加工验证，以上工艺措施在减小涡轮盘加工变形提高质量方面，具有较显著效果。优化调整后的工艺路线如下：

毛料图表→车超声波检查面→超声波检查→粗车→粗车后消除应力热处理→细车基准→细车→清洗→腐蚀检查→消除应力热处理→修复端面→精车→精车后修复第一面→电解标印→镗定位孔→拉榫槽→铣花边→镗孔→孔边去毛刺→中间检验前磨加工修复→清洗→中间检验→热处理前车加工修复→消除应力热处理→荧光检查→清洗→喷丸→喷丸后磨加工修复端面……→包装入库。

3.车削加工

3.1 精加工主要加工过程

涡轮盘精加工由于受零件壁厚薄、型腔窄等结构限制，需要多次换刀转接加工，以保证刀具进退中不与零件发生干涉及接刀处转接圆滑，在数控编程时，通过模拟仿真确定走刀轨迹和加工顺序。精加工时零件安装边壁厚和内腔腹板处约2.5mm～2.6mm，在加工中零件易产生变形，而且在加工安装边与斜壁、腹板与斜壁等的转接圆弧R时，容易形成加工盲区，必须配以专用刀杆，规避干涉现象；且零件薄壁刚性差，加工时刀具悬伸长，容易产生振刀现象，综合考虑上述因素，在去除余量时，采用多次进刀，控制吃刀深度，同时保证刀具锋利，冷却充分，在加工余量剩余0.2mm～0.3mm时，注意更换新刀片，以减小零件变形。

3.2 切削参数

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

结论

以某新机四级涡轮盘为载体，优化调整了加工工艺路线和工艺方案，固化工艺参数，增加修复加工工序等工艺改进措施，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，大幅度地提高了涡轮盘的加工质量和表面完整性。

参考文献

[1]王聪梅.航空发动机典型零件机械加工[M].北京：航空工业出版社，2014.

[2]透平机械现代制造技术丛书编委汇编.盘轴制造技术[M].北京：科学出版社，2002.