CN102922244A - 钛合金叶轮表面完整性加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金叶轮表面完整性加工方法，通过设备的选择、工序步骤的设计及参数的设置，使叶轮表面完整性达到了要求的标准，同时，为了保证叶轮表面光度的要求，采用了磨粒流表面抛光技术。本发明有效的提高了叶轮的寿命，并应用到实际的产品加工过程中，效果明显。

Description

钛合金叶轮表面完整性加工方法

技术领域

本发明涉及一种加工方法，尤其是一种钛合金叶轮表面完整性加工方法。

背景技术

现有航空领域中的钛合金叶轮的加工，一般为车削后铣削加工，对于叶轮的表面完整性不做过多地补充处理，导致叶轮普遍寿命不高，达不到设计要求寿命最低限40000次循环。因此，为了提高叶轮的寿命，需要对叶轮的表面完整性提出了新的要求，即：

叶片表面粗糙度达到Ra0.4 ；

表面残余应力要求：如果应力测量值|σ|≥210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤60 MPa，切向应力满足τ≤8 MPa；如果应力测量值|σ|< 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤30 MPa或σ/4 (两个值中最大的)，切向应力满足τ≤8 MPa；

加工后无磨削烧伤、无表面硬化。

这些叶轮表面完整性要求可以是保证叶轮寿命，但目前对于其加工的具体步骤尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金叶轮表面完整性加工方法，可以实现在加工后叶轮的几何精度、表面粗糙度、表面残余应力和表面微观缺陷满足叶轮表面完整性的设计要求，无磨削烧伤和表面硬化。

本发明的具体技术方案为如下所述，加工方法包括以下步骤：

1）锻造成型：锻造成毛坯;

2）粗加工：对毛坯进行粗加工，加工后余量为0.8～1.2mm，对基准进行粗加工，加工后的余量为0.5～0.8mm;

3）精加工基准：精加工基准至尺寸要求；

4）加工内孔：用数控车削设备加工叶轮内孔，刀具采用强力内冷刀杆、仿形圆刀片，冷却液流量2.5～3m³/h，压力18～ 22Bar;切削线速度15～ 20m/min，进给量4.8～5.8mm/min，每次切削深度0.04～0.05mm，最终加工至余量为0.15～0.25mm；

5）加工叶片： 

装夹工件：通过夹具支撑和压紧加工好的基准，将叶轮安装在5轴数控铣削加工中心设备上；

粗加工工步：加工的刀具为锥度四齿球头指形铣刀，其整体刀长90～100mm，夹持直径为12mm，单边锥度4度，切削刃长≥40mm，球头直径8mm，刀具探出长≥40mm；每次切削深度2mm，刀具主轴转速2500～2600r/min，进给量300～350mm/min，加工至表面余量0.15～0.25mm；

叶片精加工工步：加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.1mm，主轴转速3100～3200r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

叶片流道精加工工步；加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.15～0.05mm，切削宽度0.2 ～0.25mm  ；主轴转速2800～3000r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

6）抛光：用磨料为碳化硅材质的砂纸进行抛光，砂纸粒度分别为P600～P1000，至去除加工后的所有刀痕；

7）磨粒流加工：设备为磨粒流机，采用碳化硅复合磨料，工作温度30～35℃，工作压力20～25Bar，磨粒循环30～50次；

8）磨削外轮廓：采用碳化硅砂轮，粒度160，软型;冷却液流量加工外轮廓时工件转速200～220r/min，砂轮Z向走刀速度20～25mm/min；加工端面时工件转速80～90r/min；加工大外径时工件转速50～60r/min，加工其它轴径时工件转速80～90r/min，最终将所有位置加工至要求尺寸；

9）最终检验。

本发明通过设备的选择、工序步骤的设计及参数的设置，使叶轮表面完整性达到了要求的标准，同时，为了保证叶轮表面光度的要求，采用了磨粒流表面抛光技术。本发明有效的提高了叶轮的寿命，并应用到实际的产品加工过程中，效果明显。

具体实施方式

钛合金叶轮表面完整性加工方法包括以下步骤：

1）锻造成型：锻造成毛坯;

2）粗加工：对毛坯进行粗加工，加工后余量为0.8～1.2mm，对基准进行粗加工，加工后的余量为0.5～0.8mm;

3）精加工基准：精加工基准至尺寸要求；

4）加工内孔：用数控车削设备加工叶轮内孔，刀具采用强力内冷刀杆、仿形圆刀片，冷却液流量2.5～3m³/h，压力18～ 22Bar;切削线速度15～ 20m/min，进给量4.8～5.8mm/min，每次切削深度0.04～0.05mm，最终加工至余量为0.15～0.25mm；

5）加工叶片： 

装夹工件：通过夹具支撑和压紧加工好的基准，将叶轮安装在5轴数控铣削加工中心设备上；

粗加工工步：加工的刀具为锥度四齿球头指形铣刀，其整体刀长90～100mm，夹持直径为12mm，单边锥度4度，切削刃长≥40mm，球头直径8mm，刀具探出长≥40mm；每次切削深度2mm，刀具主轴转速2500～2600r/min，进给量300～350mm/min，加工至表面余量0.15～0.25mm；

叶片精加工工步：加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.1mm，主轴转速3100～3200r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

叶片流道精加工工步；加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.15～0.05mm，切削宽度0.2 ～0.25mm  ；主轴转速2800～3000r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

6）抛光：用磨料为碳化硅材质的砂纸进行抛光，砂纸粒度分别为P600～P1000，至去除加工后的所有刀痕；

7）磨粒流加工：设备为磨粒流机，采用碳化硅复合磨料，工作温度30～35℃，工作压力20～25Bar，磨粒循环30～50次；

8）磨削外轮廓：采用碳化硅砂轮，粒度160，软型;冷却液流量加工外轮廓时工件转速200～220r/min，砂轮Z向走刀速度20～25mm/min；加工端面时工件转速80～90r/min；加工大外径时工件转速50～60r/min，加工其它轴径时工件转速80～90r/min，最终将所有位置加工至要求尺寸；

9）最终检验。

实施例

某涡轴航空发动机的二级叶轮，其材料为钛合金，要求加工后的各项指标为：

叶片表面粗糙度达到Ra0.4 ；

表面残余应力要求：如果应力测量值|σ|≥210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤60 MPa，切向应力满足τ≤8 MPa；如果应力测量值|σ|< 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤30 MPa或σ/4(两个值中最大的)，切向应力满足τ≤8 MPa；

磨削加工后表面无烧伤、无表面硬化。

具体的实施过程如下：

（1）  锻造成型：锻造成毛坯;

（2）  粗加工：对毛坯进行粗加工，加工后余量为1mm，对基准进行粗加工，加工后的余量为0.5mm;

（3）  精加工基准：精加工基准至尺寸要求；

（4）  加工内孔：用型号为CINCINNATI LAMB HTC300的车削设备加工叶轮内孔，刀具采用强力内冷刀杆、钛合金仿形车圆刀片，冷却液流量2.5m³/h，压力18Bar;切削线速度15m/min，进给量4.8mm/min，每次切削深度0.05mm，最终加工至余量为0.2mm；

（5）  加工叶片： 

a） 装夹工件：通过加工好的基准将叶轮安装在5轴数控铣削加工中心LX051设备上；

b） 加工的刀具为锥度四齿球头指形铣刀，其整体刀长100mm，单边锥度4度，夹持直径12mm，切削刃≥20mm，球头直径8mm，刀具探出长≥40mm；切削深度2mm，主轴转速2653r/min，进给量300mm/min，加工余量为0.2mm；

c） 叶片精加工工步：加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长100mm，单边锥度4度，夹持直径12mm，切削刃≥15mm，探出长≥40mm；切削深度0.1mm，主轴转速3180r/min，切削速度50m/min，进给量500mm/min；加工至要求尺寸；

d） 叶片流道精加工工步；加工的刀具为两齿球头铣刀,整体刀长100mm，直径为3mm，单边锥度4度，夹持直径12mm，切削刃15mm，探出长40mm；切削深度0.1mm，切削线速度44m/min，进给量500mm/min，切削深度0.13mm，切削宽度0.25mm ；加工至要求尺寸；

（6）  抛光：用牌号为碳化硅材质的砂纸进行抛光，砂纸粒度分别为P600，至去除加工后的所有刀痕；

（7）  磨粒流：设备为磨粒流机，采用碳化硅复合磨料，磨料牌号MF-24S（80）-30S（80）-400 S（40），工作温度33℃，工作压力20bar，磨粒循环30次；

（8）  磨削外轮廓：采用碳化硅砂轮，粒度160，软型;冷却液流量加工外轮廓时工件转速210r/min，砂轮Z向走刀速度22mm/min；加工端面时工件转速85r/min；加工大外径时工件转速50r/min，加工轴径时工件转速85r/min最终将所有位置加工至要求尺寸；

（9）  最终检验。

最终检验结果为：

叶片表面粗糙度达到Ra0.24 ；

表面残余应力达到：|σ|≥325 MPa：Δσ≤30 MPa，τ≤3.26 MPa;

磨削加工后表面无烧伤、无表面硬化。

 [0011] 结果表明，该产品合格。

Claims (1)

1.一种钛合金叶轮表面完整性加工方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：

1）锻造成型：锻造成毛坯;

2）粗加工：对毛坯进行粗加工，加工后余量为0.8～1.2mm，对基准进行粗加工，加工后的余量为0.5～0.8mm;

3）精加工基准：精加工基准至尺寸要求；

4）加工内孔：用数控车削设备加工叶轮内孔，刀具采用强力内冷刀杆、仿形圆刀片，冷却液流量2.5～3m³/h，压力18～ 22Bar;切削线速度15～ 20m/min，进给量4.8～5.8mm/min，每次切削深度0.04～0.05mm，最终加工至余量为0.15～0.25mm；

5）加工叶片： 

装夹工件：通过夹具支撑和压紧加工好的基准，将叶轮安装在5轴数控铣削加工中心设备上；

粗加工工步：加工的刀具为锥度四齿球头指形铣刀，其整体刀长90～100mm，夹持直径为12mm，单边锥度4度，切削刃长≥40mm，球头直径8mm，刀具探出长≥40mm；每次切削深度2mm，刀具主轴转速2500～2600r/min，进给量300～350mm/min，加工至表面余量0.15～0.25mm；

叶片精加工工步：加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.1mm，主轴转速3100～3200r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

叶片流道精加工工步；加工的刀具为锥度两齿球头指形铣刀,整体刀长90～100mm，夹持直径6mm，单边锥度4度，切削刃≥15mm，球头直径为3mm，探出长≥40mm；每次进刀切削深度0.15～0.05mm，切削宽度0.2 ～0.25mm  ；主轴转速2800～3000r/min，进给量500～550mm/min；加工至要求尺寸；

6）抛光：用磨料为碳化硅材质的砂纸进行抛光，砂纸粒度分别为P600～P1000，至去除加工后的所有刀痕；

7）磨粒流加工：设备为磨粒流机，采用碳化硅复合磨料，工作温度30～35℃，工作压力20～25Bar，磨粒循环30～50次；

8）磨削外轮廓：采用碳化硅砂轮，粒度160，软型;冷却液流量加工外轮廓时工件转速200～220r/min，砂轮Z向走刀速度20～25mm/min；加工端面时工件转速80～90r/min；加工大外径时工件转速50～60r/min，加工其它轴径时工件转速80～90r/min，最终将所有位置加工至要求尺寸；

9）最终检验。