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

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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

[0001] 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

[0002] 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RaO. 4 ；

表面残余应力要求：如果应力测量值I。I彡210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δ σ彡60 MPa，切向应力满足τ彡8 MPa ;如果应力测量值| σ |〈 210 MPa，那么其各点的 应力变化满足Λ σ彡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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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O. 8〜I. 2_，对基准进行粗加工，加工后的余量为O. 5〜O. 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O. 04〜O. 05mm,最终加工至余量为O. 15〜O. 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，切削刃长彡40mm,球头直径8mm，刀具探出长彡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O. 15〜

O. 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O. 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O. 15〜O. 05mm，切削宽度O. 2〜O. 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°C，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/miη ;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。

[0006] 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

[0007] 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O. 8〜I. 2_，对基准进行粗加工，加工后的余量为O. 5〜O. 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O. 04〜O. 05mm,最终加工至余量为O. 15〜O. 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，切削刃长彡40mm,球头直径8mm，刀具探出长彡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O. 15〜

O. 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O. 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O. 15〜O. 05mm，切削宽度O. 2〜O. 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°C，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/miη ;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

[0008] 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RaO. 4 ；

表面残余应力要求：如果应力测量值I。I彡210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δ σ彡60 MPa，切向应力满足τ彡8 MPa ;如果应力测量值| σ |〈 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Λ σ < 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。

[0009] 具体的实施过程如下：

Cl)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O. 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O. 05mm,最终加工至余量为O. 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,切削刃彡20mm,球头直径8mm,刀具探出长彡40mm ;切削深度2mm,主轴转速2653r/min,进给量300mm/min,加工余量为O. 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，切削刃彡15mm，探出长彡40mm;切削深度O. 1臟，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O. 1mm，切削线速度44m/min,进给量500mm/min,切削深度O. 13mm,切削宽度O. 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 °C，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。

[0010] 最终检验结果为：

叶片表面粗糙度达到RaO. 24 ； 表面残余应力达到：I。I彡325 MPa ： Δ σ ^ 30 MPa, τ彡3. 26 MPa;

磨削加工后表面无烧伤、无表面硬化。

[0011] [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O. 8〜I. 2_，对基准进行粗加工，加工后的余量为O. 5〜O. 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O. 04〜O. 05mm,最终加工至余量为O. 15〜O. 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，切削刃长彡40mm，球头直径8mm，刀具探出长彡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O. 15〜O. 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O. 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O. 15〜O. 05mm,切削宽度O. 2〜O. 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°C，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/miη ;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。
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