CN104668916A - 提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，具体步骤是：备料→粗车叶轮帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→粗车轮毂端夹持部位→热处理→人工时效→半精车轮毂端夹持部位→半精车帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→低温处理→三轴铣→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳→精车帽盖端夹持部位→精车轮毂端型面、外圆及精镗轴孔→精车帽盖端型面及轮毂端内型面→钳→动平衡校正。采用本发明的方法，对2B50铝合金材料大曲率复杂曲面闭式整体叶轮系零件的加工，实现了该系列大曲率复杂曲面闭式整体叶轮系零件制造工艺的提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求、同时，提高了生产质量稳定性，提高了产品的可靠性。

Description

提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于航空、航天的大曲率复杂曲面闭式整体叶轮，尤其是一种大曲率复杂曲面闭式整体叶轮的制造方法。
背景技术
大曲率复杂曲面闭式整体叶轮作为透平机械的关键部件，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。随着航空、航天工业的不断发展，为了满足发动机高转速、高推重比、高功效的要求，在新型中小发动机的设计及环空系统中大量采用高性能、高功效闭式结构叶轮，而且对零件加工质量要求也越来越严格。
分体闭式叶轮加工主要采用两个或多个零件的组合焊接工艺制造技术和闭式整体叶轮采用铸造成型的技术实现。但是这两种制造方法都有巨大的缺陷，分体闭式叶轮的制造工艺是采用开式叶轮体或轮毂、叶轮盖、叶片等两或多个零件分别进行机械加工，再通过焊接组合而成。这种工艺方法加工的叶轮变形严重，各焊接部位的质量不能满足性能要求，零件表面质量差，影响产品的工作效率。另外将闭式整体叶轮采用铸造工艺方法铸造成型，其材料密度不均匀、不连续，铸造中有夹渣、气孔、组织疏松、叶片、流道表面粗糙度差、流阻较大。采用铸造工艺常有叶轮零件形面误差大，动平衡性能差，后续加工困难，难以满足产品性能稳定性。
随着科技的不断发展进步，对产品制造效率、制造质量的稳定性及产品性能可靠性的要求也越来越高。故对闭式整体叶轮系零件的叶片曲面、流道曲面、叶轮帽盖端流道及帽盖型面的形状、尺寸精度及表面质量的要求也越来越高。采用钎焊工艺或铸造成型工艺制造闭式整体叶轮已经不能满足残片性能的要求。
发明内容
本发明是要解决2B50铝合金材料大曲率曲面闭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大曲率曲面闭式整体叶轮系零件制造精度的方法，用于提高大曲率曲面闭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：
一种提高铝合金大曲率曲面闭式整体叶轮系零件制造精度的方法，具体步骤是：备料→粗车叶轮帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→粗车轮毂端夹持部位→热处理→人工时效→半精车轮毂端夹持部位→半精车帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→低温处理→三轴铣→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳→精车帽盖端夹持部位→精车轮毂端型面、外圆及精镗轴孔→精车帽盖端型面及轮毂端内型面→钳→动平衡校正。
所述备料：备2B50铝合金棒料，棒料尺寸大于零件尺寸15～35mm。
所述粗车叶轮帽盖端定位夹头及叶轮内、外形和粗车轮毂端夹持部位：先粗车帽盖端定位夹头，粗车叶轮内、外形，预留2～20mm余量，要求预留量均匀；然后粗车轮毂端夹持部位，预留5～8mm余量，最后钻轴孔，预留0.5～5mm余量。
所述热处理和人工时效：热处理HRC≥30；人工时效140℃～175℃，7～15小时。
所述半精车帽盖端定位夹头及叶轮内、外形的步骤是：
（1）加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm；
（2）半精车叶轮内、外形预留0.5～5mm余量；
（3）半精车叶轮帽盖端定位夹头，保证轮毂端夹持部位端面与帽盖端定位，端面平行度＜0.06mm；
（4）镗轴孔，预留0.2～2mm余量。
所述低温处理：低温处理-60℃±15℃进行2～9小时。
所述三轴铣削：找正零件端面且径向跳动＜0.1mm，铣叶轮帽盖端定位面，并钻三处Ф3～Ф12防错定位孔。
所述五轴联动加工粗铣及五轴联动加工精铣步骤：
（1）以帽盖端定位面和防错定位孔进行定位装夹，五轴联动加工粗铣闭式整体叶轮叶片、流道，叶轮帽盖端流道型面，预留0.3～3mm余量；
（2）铣轮毂端夹持部位定位端面，钻三处Ф3～Ф12防错定位孔；
（3）五轴联动加工精铣以帽盖端定位端面，防错定位孔进行角度定位装夹；
（4）粗铣整体闭式叶轮叶片、流道、叶轮帽盖端流道型面。
所述自然时效：将平台擦拭干净，把经过上道工序后的叶轮坯体放在平台上，以帽盖端定位端面水平自然放置，常温时效40～90小时。
所述钳、数控车步骤：先钳工去毛刺，修整上道工序接刀痕，使其平滑过渡；精车帽盖端夹持部位外圆及定位端面；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm；精车叶轮轮毂端型面，外圆及精镗轴孔；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm，以精车帽盖端夹持部位外圆定位端面进行定位装夹；精车帽盖端型面及轮毂端内型面；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm，最后钳工去除毛刺。
本发明的有益效果是：
采用本工艺技术方法，对2B50铝合金材料大曲率复杂曲面闭式整体叶轮系零件的加工，实现了该系列大曲率复杂曲面闭式整体叶轮系零件制造工艺的提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求、同时，提高了生产质量稳定性，提高了产品的可靠性。
附图说明
图1是闭式整体叶轮零件示意图；
图2是夹具结构示意图；
图3是零件装夹剖视图。
图中：A.防错定位孔，1.螺帽，2.垫片，3.整体闭式叶轮零件，4.芯轴，5.防错定位销，6.夹具底座。
具体实施方式
本实施例是加工如附图1所示某高性能复杂曲面闭式整体叶轮，整体叶轮的零件高度H=68mm,出口直径D出=Φ180mm，叶轮的进口直径为D进=Φ160mm，出口叶片高度H出=17mm，进口叶片高度H进=32.1mm，叶片厚度最薄处δmin=0.6mm，相邻叶片间最小距离lmin=17.1mm，圆周径向分布叶片数量N=18片，叶轮材料为2B50。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，动平衡性好。
具体实施如下：
步骤一：备料：
准备尺寸为Φ200mm×85mm的2B50铝合金棒料。
步骤二：粗车叶轮帽盖端定位夹头：
粗车帽盖端定位夹头，预留 6mm余量。
步骤三：粗车叶轮内、外形：
粗车叶轮内、外形，预留2.5mm余量。钻轴孔，预留0.8mm余量，加工时需大量喷洒冷却润滑液。
步骤四：粗车轮毂端夹持部位：
粗车夹持部位Φ70mm×10mm，叶轮夹持部位及后端面预留1.5mm余量，加工时要大量喷洒冷却润滑液。
步骤五：热处理：
热处理HRC≥30。
步骤六：人工时效：
人工时效160℃，8小时。
步骤七：半精车轮毂端夹持部位：
半精车夹持部位。加工前精镗软爪，保证端面及径向跳动≤0.02mm，半精车保证夹持部位尺寸Φ70mm×10mm，加工时需喷洒大量冷却润滑液，使其充分冷却润滑。
步骤八：半精车帽盖端定位夹头及叶轮外形：
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，加工外形预留1.5mm余量。精镗轴孔，预留0.5mm余量。加工时需喷洒大量冷却润滑液，使其充分冷却润滑。
步骤九：低温处理：
进行-60℃±10℃，,6小时低温处理。
步骤十：三轴铣：
找正零件端面且径向跳动≤0.015mm，精铣叶轮帽盖端定位面，钻三处防错定位孔A，孔径Φ6mm，深3mm。加工时要大量喷洒冷却润滑液，使其充分冷却润滑，及时清除切屑，保障切削力指向性和稳定性。
步骤十一：五轴联动加工粗铣：
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铣叶轮。加工前制造如图2所示夹具，该夹具包括螺帽1、垫片2、芯轴4、防错定位销5、夹具底座6。用夹具进行定位装夹（图3），找正整体闭式叶轮零件3端面及径向跳动≤0.05mm。预留0.6mm余量，粗铣叶片及流道。加工时需大量喷洒冷却润滑液。
步骤十二：自然时效：
将平台擦拭干净，把经过上道工序后的叶轮坯体放在平台上，以帽盖端定位端面水平自然放置，常温时效60小时。
步骤十三：五轴联动加工精铣：
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。使用步骤十一中的夹具进行定位装夹，找正零件端面及径向跳动≤0.05mm。精铣叶轮的叶片、流道及叶片流道转接处圆角，接刀痕≤0.3mm且均匀分布。加工时需大量喷洒冷却润滑液。
步骤十四：钳：
去除毛刺，修整上工序接刀痕使其平滑过渡。
步骤十五：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≤0.05mm。加工时需大量喷洒冷却润滑液。
步骤十六：数控车：
精车芯轴，以步骤十五精镗轴孔定位。精车整体叶轮的外径、另一端面及叶轮外形。加工时需大量喷洒冷却润滑液。
步骤十七：钳：
去机加工毛刺。
通过以上工艺方法，对2B50铝合金材料大曲率复杂曲面闭式整体叶轮系零件的加工，使其叶轮整体形状完整，曲面光顺、流畅，叶片曲面、流道曲面、叶轮帽盖端流道及帽盖型面经过荧光探伤无裂纹。闭式整体叶轮的动平衡去质量小，合格率高，整体叶轮超转试验的合格率大幅度提高。提高了生产质量的稳定性，提高了产品可靠性。

Claims (10)

1.一种提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于，具体步骤是：备料→粗车叶轮帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→粗车轮毂端夹持部位→热处理→人工时效→半精车轮毂端夹持部位→半精车帽盖端定位夹头及叶轮内、外形→低温处理→三轴铣→五轴联动加工粗铣→自然时效→五轴联动加工精铣→钳→精车帽盖端夹持部位→精车轮毂端型面、外圆及精镗轴孔→精车帽盖端型面及轮毂端内型面→钳。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述备料：备2B50铝合金棒料，棒料尺寸大于零件尺寸15～35mm。
3.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述粗车叶轮帽盖端定位夹头及叶轮内、外形和粗车轮毂端夹持部位：先粗车帽盖端定位夹头，粗车叶轮内、外形，预留2～20mm余量；然后粗车轮毂端夹持部位，预留5～8mm余量，最后钻轴孔，预留0.5～5mm余量。
4.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述热处理和人工时效：热处理HRC≥30；人工时效140℃～175℃，7～15小时。
5.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述半精车帽盖端定位夹头及叶轮内、外形的步骤是：
（1）加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm；
（2）半精车叶轮内、外形预留0.5～5mm余量,保证相关尺寸；
（3）半精车叶轮帽盖端定位夹头，保证轮毂端夹持部位端面与帽盖端定位，端面平行度＜0.06mm；
（4）镗轴孔，预留0.2～2mm余量。
6.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述低温处理：低温处理-60℃±15℃进行2～9小时。
7.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述三轴铣削：找正零件端面且径向跳动＜0.1mm，铣叶轮帽盖端定位面，并钻三处Ф3～Ф12防错定位孔。
8.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述五轴联动加工粗铣及五轴联动加工精铣步骤：
（1）以帽盖端定位面和防错定位孔进行定位装夹，五轴联动加工粗铣闭式整体叶轮叶片、流道，叶轮帽盖端流道型面，预留0.3～3mm余量；
（2）铣轮毂端夹持部位定位端面，钻三处Ф3～Ф12防错定位孔；
（3）五轴联动加工精铣以帽盖端定位端面，防错定位孔进行角度定位装夹。
9.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述自然时效：将平台擦拭干净，把经过上道工序后的叶轮坯体放在平台上，以帽盖端定位端面水平自然放置，常温时效40～90小时。
10.根据权利要求1所述的提高铝合金材料大曲率曲面闭式整体叶轮制造精度的方法，其特征在于：所述钳、数控车步骤：先钳工去毛刺，修整上道工序接刀痕，使其平滑过渡；精车帽盖端夹持部位外圆及定位端面；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm；精车叶轮轮毂端型面，外圆及精镗轴孔；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm，以精车帽盖端夹持部位外圆定位端面进行定位装夹；精车帽盖端型面及轮毂端内型面；加工前精镗软爪，保证软爪内端面及夹持部位径向跳动＜0.1mm，最后钳工去除毛刺。
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