一至六级双翼涡轮盘榫槽加工工艺研究

万秀屏 边景全 孙爱鹏

摘  要：某新型发动机低压涡轮转子一至六级涡轮盘是典型的双翼涡轮盘新型结构，零件结构、形状较为复杂，其中榫槽精度要求高，通过拉削工艺方法加工完成。榫槽连接轮盘与叶片，在高温条件下工作，不仅承受很大的离心力、弯曲应力、剪切力等综合作用，而且叶片叶身是否能够保持规定的位置和方向也取决于榫槽的精度。因此保证涡轮盘榫槽的加工质量，提高零件合格率至关重要。本文通过掌握双翼涡轮盘榫槽加工变形控制技术和变形规律，提高零件尺寸精度，拉削变形影响范围过程受控，解决目前零件合格率低的技术难题。

关键词：双翼涡轮盘;榫槽拉削;变形控制;工艺方案

中图分类号：TP391      文献标志码：A

0 引言

随着科学技术的不断发展，在新型航空发动机中，盘类零件材料的性能不断提高，榫槽结构更是多样化、复杂化，榫槽精度和表面粗糙度要求越来越严格，导致工艺性较差，特别是新机中出现多种结构榫槽，没有成熟经验，刀具强度设计难度更大，拉削过程中崩刀现象更为严重，因此对榫槽拉削技术提出了更高的要求，如何提高拉刀使用中的强度，有效保证榫槽拉削质量，已经成为拉削制造技术上的关键，研究盘类零件的结构特点，保证拉削后榫槽的位置精度和尺寸精度已经成为盘类零件研制过程中首要任务。本技术攻关主要工艺改进措施包括：统计分析榫槽拉削前后零件尺寸的变化情况和变化趋势，调整零件榫槽拉削方案、拉刀结构、拉刀材料、拉削夹具、拉削速度等加工工艺方案，提升双翼涡轮盘件榫槽的拉削技术水平，有效地减少加工中的变形。

1 研究目标

1.1 设计要求

低压一至六级双翼涡轮盘零件直径大（Φ800mm～890mm）;材料均为高温合金IN718，属于难加工材料，各级轮盘榫槽槽型“Ω”型，多圆弧转接，榫槽尺寸小、数量多，开口小，内腔宽，制造精度要求高。高温合金材料切削性差，拉削力大，增加了拉刀结构和强度设计难度。技术要求：

（1）各级盘110个～130个处榫槽均布，榫槽中心距公差±0.07;（2）第一榫槽与最后榫槽之间弦长偏差为+0.02

-0.14;（3）榫槽精度高，面轮廓度为0.025mm;（4）榫槽工作面在榫槽对称平面方向的相互偏移不大于0.02mm。

1.2 拉削的特点

利用拉刀的结构形状和尺寸精度，通过拉床刀座的直线运动，在牵引力或推力的作用下，使刀具一次通过工件表面，完成榫槽等复杂型面的一种加工方法称为拉削。拉削是一种高精度、高效率、高复杂程度可最终一次成型的机械加工方法，拉削加工属于多刃刀具同时进行切削加工。拉刀的制造精度直接影响零件的精度。虽然拉削速度较低，但这种加工方式，生产效率很高，可以同时完成粗加工和精加工，一次成型。

盘类件榫槽拉削一直还是加工中的难点，对零件拉削工艺提出较高要求。榫槽结构复杂，尺寸精度严格，榫槽表面粗糙度要求高，刀具制造难度大，刀具寿命提高较难，拉削过程中拉削力大，榫槽拉削后零件易变形，很难保证设计图纸技术要求。

2 加工工艺方案

2.1 拉削方案选择

双翼涡轮盘的榫槽槽形小，拉刀容屑槽较短，拉槽中卷屑严重，排屑困难，易打刀。在拉削商发涡轮盘榫槽时采用渐切法和成型法相结合的拉削方式，采用成套拉刀共14把，一次拉削成型。第1把～10把为开槽刀，第11把精拉槽口度面及直口，第12把拉槽底R，第13把精拉齿形刀（综合型面精刀），第14把是备用精刀。

2.2 拉刀材料结构

根据涡轮盘材料的性质，拉刀修磨后尽可能减少金属的黏附，提高拉刀的耐用度和使用寿命。拉刀材料选用高性能的高速钢M42（W2Mo9Cr4VCo8），其硬度、耐磨性和耐热性虽不如硬质合金，但强度、韧性和工艺性能优于硬质合金。拉刀前角15°、后角3°、定型齿1.5° 。

2.3 拉刀参数选择

拉削齿升量：以往粗开槽刀的齿升量均为0.05mm～0.06mm，但由于低压涡轮盘榫槽尺寸小，采用常规的齿升量，拉刀极易产生崩齿，调整粗拉刀的齿升量为0.022mm～0.035mm;拉槽底圆弧刀0.015mm;精拉齿型刀为0～0.02 mm。

2.4 拉削夹具选择

增强一至六级涡轮盘榫槽拉削夹具刚性，夹具定位采用轴向压紧方式：盘心为径向基准，榫槽其中一侧端面和安装边端面为轴向基准，压紧榫槽另一侧端面，角向定位为安装边上孔。夹具装夹最困难的是一和六级涡轮盘，压盖与压紧定位面只有1mm～2mm距离，定位困难，拉削方向受限，增加压盖厚度和增加加强筋，最终增强夹具刚性。六级涡轮盘结构特殊，除具有榫槽外还有篦齿，为防止拉削过程中磕伤篦齿，拉槽前要预留加工工艺余量;篦齿先单边预留0.5mm余量，拉削后再车篦齿，有效地预防碰划伤，最终保证符合设计图纸的技术及尺寸要求。

拉榫槽后零件整体变形较大，榫槽拉削后去除余量多，零件圆周内部组织断裂，应力重新均衡后超差情况较大，拉槽后盘心尺寸变小，先加工的二级盘出现零件抱紧榫槽夹具现象，无法卸下零件;后续采取措施是各级盘心尺寸加工到图纸要求的中上差，避免夹具无法卸下。

2.5 拉削速度选择

在拉刀的切削用量中，只有拉削速度是能进行调整的，拉削速度不仅直接影响生产效率，而且对拉刀耐用度和涡轮盘表面质量也有相當大的影响。经实验，高温合金材料只有在低速拉削时方能获得最佳拉削质量，拉削速度应选择3m/min以下，一般取1m/min～2m/min的拉削速度，可取得较好的表面质量，零件变形也相对较小。

2.6 拉削技术要求

（1）拉削正式零件前，需用拉削试验件的方法调整机床，合格后才允许加工真件;（2）新制造拉刀和刃磨后的拉刀在投入工作前需要在试件上进行试拉，经投影合格后方可使用;（3）成型拉刀每拉削两个盘件，需要在试件上拉削末槽，经投影检查合格后方可继续拉削零件;（4）拉刀刃磨前需要投影检查，以确定刃磨拉削的榫槽是否合格。

2.7 拉削使用设备

采用进口数控高速侧拉床HOFFMAN，主驱动功率135kW，额定拉力25t，最大行程7500mm。

2.8 榫槽技术条件检测

（1）榫槽中心距的检测。榫槽中心矩是规定榫槽径向位置尺寸，是控制榫槽到轮盘中心线的距离的重要尺寸。需要在综合测具上测量，榫槽中心距的百分表在标准件上对零，然后在转接器上测量该百分表的偏差值得到中心距;（2）榫槽轮廓尺寸的检测。投影仪是榫槽轮廓度检测的主要仪器，榫槽的轮廓公差、齿形、转接圆弧、角度、齿距尺寸等，通常采用光学投影检查试件的方法，选用卧式投影仪，按照榫槽图样绘制50倍放大图。检查时，将投影试件放在投影仪上，投影面为槽进口处，保持尖边，调节物距，使投影清晰;放大图放在投影板上，调节试件和投影板位置，使榫槽基面与放大图的基面重合;榫槽的影像应落在放大图的轮廓公差带内，榫齿的工作面应平直，转接圆弧应圆滑转接，对比轮廓是否合格，R转接是否合格，圆滑转接等。在放大图上比对，该方法测量精度较高，可以较好地评价榫槽尺寸精度。投影仪和放大图应保持良好状态，定期由计量部门按标准样件进行检定;（3）榫槽扭角的检测。在测量榫槽扭角时，需要将综合测具上测量扭角的百分表在标准件上对零，然后在转接器上测量该百分表的偏差值是否在合格的范围内，该偏差值的范围在设计综合测具时将扭角的角度公差转换成为一定长度上弦长的变化量;（4）榫槽工作面在对称平面方向的相互偏移不大于0.02mm。由合格拉刀保证，检测拉刀合格证;（5）第一榫槽与最后榫槽之间弦长偏差为+0.02

-0.14，使用公法线千分尺检测;（6）榫槽位置度的检测，使用公法线千分尺检测。

结语

2017年低压一至六级涡轮盘零件合格率为95%，达到预期设定目标。通过对双翼涡轮盘的工艺攻关，优化了工艺路线，双翼涡轮盘榫槽变形问题得到了一定的控制，为型号研制和交付需要提供了保证。

参考文献

[1]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册：发动机机械加工[M].北京：航空工业出版社，1997.

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