CN104646961A

CN104646961A - 提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法

Info

Publication number: CN104646961A
Application number: CN201510002175.0A
Authority: CN
Inventors: 吴雁; 吕博鑫; 郑刚
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明涉及一种提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，具体步骤是：备料→粗车叶轮毛坯外形→粗车工艺夹头→热处理→人工时效→半精车工艺夹头→半精车叶轮外形→低温处理→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳工→精车轴孔→精车叶轮→钳工→动平衡。采用本发明的工艺方法制造出的叶轮其叶轮形状完整，曲面光顺、顺畅、叶片曲面、流道曲面变形小，叶片的叶面、前缘经荧光探伤无裂纹。整体叶轮动平衡时去质量较小，合格率高，整体叶轮超转试验的合格率大幅提高。实现了该系列整体叶轮零件的工艺提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求。同时，提高了生产质量的稳定性，提高了产品的可靠性。

Description

提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种开式整体叶轮加工工艺，尤其是一种用于提高2A50铝合金材料开式整体叶轮制造精度的工艺方法。

背景技术

随着现代飞机的越来越先进的发展趋势，飞机上的电子设备日益增多，对于环境控制的要求也越来越高，其核心部件——涡轮机械制冷组件、部件的再循环风扇、电子设备冷却风扇等部件里均应用了高速旋转的叶轮机械。叶轮零件作为这类旋转机械的关键部件，其整体加工质量不仅影响部件效率，更直接关系到部件的可靠性。这类以2A50铝合金材料为基体的整体开式叶轮系零件的结构非常复杂，叶片、流道、叶片前缘均为大曲率复杂曲面结构，叶轮叶片厚度最薄处δ_min≤1mm，在整个切削加工工艺过程中，这类零件的材料去除率高达90%及以上。该类整体叶轮工况需满足高转速、大推重比、高性能压气机叶轮系产品强度要求，其曲面误差小、精度高，动平衡时去质量少。因此，采用传统铣削工艺方法加工复杂曲面往往出现以下不良情况：

1、从毛坯投入到粗、精加工的整个工艺过程中材料去除率高达90%以上，受较大的切削力、切削热以及金属纤维的断裂、变形影响，最终造成整体叶轮、叶片曲面及流道曲面变形量较大，从而影响整体叶轮的动平衡性能和产品性能，严重时则会导致叶片出现裂纹。

2、铣削过程中常出现叶片前缘变形、崩裂，铣削过程中由于切削力较大，易产生切削震动、表面粗糙度降低并影响铣削效率。

3、精加工后轮盘尺寸不均匀，轴孔圆度、同轴度、径向轴向超差严重。

4、动平衡时材料去质量大，合格率低。

5、整体叶轮超转试验的破损率高。

随着科技的不断发展，对产品制造效率、制造质量稳定性、产品性能要求也越来越高，故整体叶轮系零件的叶片曲面、流道曲面的形状，尺寸精度及表面质量也要求越来越高，传统复杂曲面系零件铣削工艺已经不能满足生产需要。

发明内容

本发明是要解决2A50铝合金材料开式整体叶轮系零件工艺过程中存在以上的技术问题，而提供一种提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，用于提高开式整体叶轮系零件制造精度及质量稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，具体步骤是：备料→粗车叶轮毛坯外形→粗车工艺夹头→热处理→人工时效→半精车工艺夹头→半精车叶轮外形→低温处理→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳工→精车轴孔→精车叶轮→钳工→动平衡。

具体工艺方法：

步骤一：备料：

备2A50铝合金棒料，尺寸大于零件10～15mm。

步骤二：粗车叶轮外形：

粗车叶轮外形，预留1～3mm余量，钻轴孔，轴孔预留0.5～1mm余量。

步骤三：粗车工艺夹头：

粗车夹持部位,并预留2～3mm余量。

步骤四：热处理：

热处理HRC≥30。

步骤五：人工时效：

人工时效160℃，7～8小时

步骤六：半精车工艺夹头：

半精车工艺夹头，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm。

步骤七：半精车叶轮外形：

半精车叶轮外形，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm。半精车叶轮外形，预留0.5mm余量。精镗轴孔，预留0.3mm余量。

步骤八：低温处理：

进行-60℃±5℃2小时低温处理。

步骤九：五轴数控加工粗铣：

选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备，对叶轮进行粗加工。加工前以芯轴定位装夹，芯轴上下两端有螺纹，一端旋进底座，另一端装上叶轮零件、垫片、螺母并旋紧。找正零件端面且径向跳动≤0.02mm，粗铣叶片及流道，并预留0.3～0.8mm余量。加工时需喷洒大量冷却润滑液。

步骤十：自然时效：

把粗铣后的叶轮坯体放置在水平的平台上，常温下静置48小时。

步骤十一：五轴数控加工精铣：

选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备对叶轮零件进行精加工。加工前以精镗软爪或芯轴以及定位销进行定位装夹，找正零件端面且径向跳动≤0.02mm。精铣叶轮的叶片、流道及叶片根部圆角，接刀痕均布且≤0.1mm，叶片根部圆角不得有震刀现象。加工时需喷洒大量冷却润滑液。

步骤十二：钳：

钳工去除毛刺，修正以上步骤接刀痕使其平滑过渡。

步骤十三：数控车：

精车夹头端面、精镗轴孔。加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动量≤0.02mm。

步骤十四：数控车：

精车芯轴，以步骤十三精镗轴孔定位，精车整体叶轮外径、另一端面及叶轮外形。

步骤十五：钳：

钳工去除毛刺。

步骤十六：动平衡校正：

对整体叶轮进行动平衡并去质，使其达到所需的平衡精度。

本发明的有益效果是：

通过以上工艺方法，对2A50铝合金材料开式整体复杂曲面叶轮系零件的加工，其叶轮形状完整，曲面光顺、顺畅、叶片曲面、流道曲面变形小，叶片的叶面、前缘经荧光探伤无裂纹。整体叶轮动平衡时去质量较小，合格率高，整体叶轮超转试验的合格率大幅提高。

本发明的优点在于采用本工艺技术方法对2A50铝合金材料开式整体复杂曲面叶轮系零件的加工，实现了该系列整体叶轮零件的工艺提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求。同时，提高了生产质量的稳定性，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1是整体叶轮系零件立体示意图；

图2是整体叶轮系零件的剖视图；

图3是图2的俯视图；

图4是叶轮装夹方案示意图。

图中：B.工艺夹头，C.轴孔，1.螺母，2.垫片，3.整体叶轮零件，4.芯轴，5.底座，6.三爪卡盘。

具体实施方式

本实施例是制造如附图1至图3所示的某高性能整体叶轮，整体叶轮的零件高度H=68mm，出口直径为D_出=Φ120mm，叶轮的进口直径为D_进=Φ82mm，进口端叶片高度H_出=27.1mm，出口端叶片高度H_进=9.58mm，叶片厚度最薄处δ_min=0.9mm，相邻叶片间最小距离l_min=6.3mm，叶片圆周分布叶片数量为Z=12片，材料为2A50铝合金，整体叶轮工况要满足高转速、大推重比、高性能，其曲面误差小、精度高，动平衡性能好。

提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，具体步骤如下：

步骤一：备料：

备Φ130mm 75mm 2A50铝合金锻料。

步骤二：粗车毛坯外形：

粗车叶轮毛坯外形，预留1.5mm余量。粗钻轴孔C，并预留0.8mm余量，加工时需大量喷洒冷却润滑液。

步骤三：粗车工艺夹头：

粗车Φ50mm10mm工艺夹头B，叶轮夹持部位及后端面预留2mm余量，加工时需大量喷洒冷却润滑液。

步骤四、热处理：

热处理HRC≥30。

步骤五：人工时效：

160℃人工时效7小时。

步骤六：半精车工艺夹头：

半精车工艺夹头B，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm，半精车保证工艺夹头Φ50mm10mm，加工时需喷洒大量冷却润滑液。

步骤七：半精车叶轮外形：

半精车叶轮外形，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02，半精车叶轮外形预留0.5mm余量。精镗轴孔预留0.3mm余量。

步骤八:低温处理：

-60℃低温处理2小时。

步骤九：五轴数控加工粗铣：

选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备粗加工叶轮。加工前如图4所示以芯轴4定位装夹，芯轴4上下两端有螺纹，一端旋进三爪卡盘6中的底座5，另一端装上叶轮零件3、垫片2、螺母1并旋紧。找正零件端面径向跳动≤0.02mm，粗铣叶片及流道，预留0.3mm余量。加工时需大量喷洒冷却润滑液。

步骤十：自然时效：

将粗铣后的叶轮水平放置在平台上，常温下静置48小时。

步骤十一：五轴数控加工精铣：

选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备精铣叶轮。加工前如图3所示以芯轴定位装夹，芯轴上下两端有螺纹，一端旋进底座，另一端装上叶轮零件、垫片、螺母并旋紧。找正零件端面径向跳动量≤0.02mm。精铣叶轮叶片、流道及叶片下圆角，接刀痕≤0.1mm且均匀分布，叶片与流道转接处不得有振刀现象。加工时需大量喷洒冷却润滑液。

步骤十二：钳：

去除上道工序毛刺，修整上道工序接刀痕使其平滑过渡。

步骤十三：数控车：

步骤十四：数控车：

精车芯轴，以步骤十三精镗轴孔定位。精车整体叶轮外径、另一端面、叶轮外形，加工时需要大量喷洒冷却润滑液，使其充分冷却润滑、清除切屑，保障切削力指向性和稳定性，确保良好的切削效果和刀具耐用度。

步骤十五：钳：

去除上道工序毛刺。

步骤十六：动平衡校正：

对整体叶轮进行动平衡并去除不平衡质量，反复进行使其不平衡量≤0.02g。

通过以上工艺技术方法，对2A50铝合金材料开式整体复杂曲面叶轮系零件的加工，其整体叶轮叶片、流道型面完整，曲面流畅，曲面的面轮廓度精度高，动平衡时去质量较小，合格率高。整体叶轮超转试验无破损。实现了该系列整体叶轮的工艺提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求，同时，提高了生产质量的稳定性，提高了产品的可靠性。

Claims

1.一种提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于，具体步骤是：备料→粗车叶轮毛坯外形→粗车工艺夹头→热处理→人工时效→半精车工艺夹头→半精车叶轮外形→低温处理→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳工→精车轴孔→精车叶轮→钳工→动平衡。

2.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述备料：备2A50铝合金棒料，尺寸大于零件10～15mm。

3.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述粗车叶轮外形和粗车工艺夹头步骤：粗车叶轮外形，预留1～3mm余量，钻轴孔，轴孔预留0.5～1mm余量；粗车夹持部位,并预留2～3mm余量。

4.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述热处理和人工时效：热处理HRC≥30；人工时效160℃，7～8小时。

5.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述半精车工艺夹头和半精车叶轮外形：半精车工艺夹头，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm；半精车叶轮外形，加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm；

半精车叶轮外形，预留0.5mm余量；

精镗轴孔，预留0.3mm余量。

6.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述低温处理：进行-60℃±5℃2小时低温处理。

7.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述五轴数控加工粗铣步骤：选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备，对叶轮进行粗加工，加工前以芯轴定位装夹，芯轴上下两端有螺纹，一端旋进底座，另一端装上叶轮零件、垫片、螺母并旋紧，找正零件端面且径向跳动≤0.02mm，粗铣叶片及流道，并预留0.3～0.8mm余量；

加工时需喷洒大量冷却润滑液。

8.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述自然时效：把粗铣后的叶轮坯体放置在水平的平台上，常温下静置48小时。

9.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述五轴数控加工精铣步骤：选用具有良好动态性及稳定性的全闭环控制系统的五轴加工中心设备对叶轮零件进行精加工，加工前以精镗软爪或芯轴以及定位销进行定位装夹，找正零件端面且径向跳动≤0.02mm；

精铣叶轮的叶片、流道及叶片根部圆角，接刀痕均布且≤0.1mm，叶片根部圆角不得有震刀现象；

加工时需喷洒大量冷却润滑液。

10.根据权利要求1所述的提高铝合金开式整体叶轮制造精度的工艺方法，其特征在于：所述步钳、数控车步骤：先钳工去除毛刺，修正上道工序接刀痕使其平滑过渡；精车夹头端面、精镗轴孔；再加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动量≤0.02mm，精车芯轴，以精镗轴孔定位；精车整体叶轮外径、另一端面及叶轮外形，最后钳工去除毛刺。