CN105904169A - 一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，具体步骤是：备料→粗加工叶轮毛坯外形→热处理→人工时效→半精加工叶轮外形→冰冷→钻定位孔→五轴联动粗加工→自然时效→五轴联动精加工→钳→数控车→线切割→钳→动平衡。采用本发明的工艺技术方法，对铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造，其叶片形状完整，变形量小，叶片叶面刀纹光滑顺畅，动平衡去质量小，合格率高。实现了该结构整体叶轮零件的工艺提升，有效保证产品质量和设计要求，提高了生产质量的稳定性，保证了产品的可靠性。

Description

一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺

技术领域

本发明涉及整体叶轮零件的加工制造工艺，尤其涉及一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺。

背景技术

随着航空航天动力系统、环境控制系统中复杂结构零件的日渐增多及其制造精度要求的不断提高，该些零件的制造工艺趋于严苛。其中，复杂曲面整体叶轮零件是该类产品中最为复杂的一类零件之一，被广泛地应用于航空、航天、军事、船舶、尖端医疗设备及高端工业工程装备领域，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。由于该类回转体零件叶冠曲面、叶片叶面及叶轮流道形状均由复杂曲面构成，且叶片厚度越来越薄，叶片高度愈加伸长，叶片高度和叶冠与叶根最厚处平均厚度比值极大。该类叶轮工况需满足高转速、大推重比、高性能要求，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)从毛坯材料投入到加工完成的整个工艺过程中材料去除率高达90％以上，少数叶轮高达95％，加工的产品在切削过程中受较大的切削力、切削热以及金属纤维的断裂及变形影响，造成整体叶轮、叶片曲面及流道曲面变形量较大，严重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或引起超薄叶片前、尾缘崩裂、卷曲；

(2)精加工后轮盘尺寸不均匀，轴孔的圆度和同轴度等超差严重；

(3)整体叶轮叶片越靠近叶冠部分刚性越差，超长叶片在切削过程中产生强烈的切削振动，导致叶片过切、欠切、表面粗糙度降低并严重影响铣削效率；

(4)整体叶轮动平衡去质量较大，超转试验破损率较高。

随着科技的不断发展，产品零件的设计形状越来越特殊，对产品的制造效率、制造质量稳定性和产品性能要求也越来越高，传统的制造工艺技术对于超长叶片复杂曲面整体叶轮已经不能满足生产需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮在制造工艺过程中存在的上述问题，而提供一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺技术方案，用于提高超长叶片复杂曲面整体叶轮零件制造精度，保证其制造质量稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，具体步骤主要包括：备料→粗加工叶轮毛坯外形→热处理→人工时效→半精加工叶轮外形→冰冷→钻定位孔→五轴联动粗加工→自然时效→五轴联动精加工→钳→数控车→线切割→钳→动平衡。

具体工艺方法：

步骤一：备料：

准备切削性能良好的硬铝合金锻件棒料，该硬铝合金锻件棒料的尺寸：直径方向大于整体叶轮零件成品直径20～60mm，高度方向大于整体叶轮零件成品10mm～20mm。

步骤二：粗加工叶轮毛坯外形：

粗车削叶轮毛坯料外形，直径方向预留余量15～45mm，其他部分预留余量1～5mm；粗钻轴孔，轴孔预留余量0.5～1.5mm。

步骤三：热处理：

热处理，保证洛氏硬度HRC≥30。

步骤四：人工时效：

将工件加热到160℃±5℃，6～8小时保温后随炉冷却，或在空气中冷却。

步骤五：半精加工叶轮外形：

找正端面及径向跳动量≤0.05mm，半精加工整体叶轮外形，直径方向预留余量5～25mm，其他部分预留余量0.5mm～2mm；精镗轴孔，预留余量0.3mm～0.5mm。

步骤六：冰冷：

从常温冷却至温度-60℃±5℃，并保持2～4小时。

步骤七：钻定位孔：

找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，钻1个Φ4～Φ8的定位孔。

步骤八：五轴联动粗加工：

采用自制整体叶轮装夹夹具，该夹具下端设夹头，中心钻有与叶轮零件轴孔相同大小的通孔，并且该夹具上设有与被夹持的叶轮零件上的定位孔相同数量、位置和直径的另一个或另一些定位孔，以便定位销连接，从而便于叶轮加工在换面装夹时进行角向定位。

使用三爪卡盘夹持该夹具并配合定位芯轴及压紧螺母进行整体叶轮零件的装夹，形成一装夹系统，之后使用压板和垫块将该装夹系统固定于机床工作台平面中心，找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，粗铣叶轮叶片及流道，并预留0.3～1mm余量，叶冠曲面部分留5～25mm不加工，加工时需冲洗大量冷却润滑液；之后换面装夹，粗加工另一面叶轮叶片及流道，预留0.3～1mm余量，叶冠曲面部分留5～25mm不加工。在本发明的一些实施例中，若叶轮结构允许一次装夹即可粗加工完毕，则无需换面装夹。

步骤九：自然时效：

粗铣后的叶轮零件放置在水平的平台上，常温下静置24小时以上，进行自然时效。

步骤十：五轴联动精加工：

采用与步骤八相同的装夹工具和装夹方法进行装夹，形成一装夹系统，之后将该装夹系统固定于机床工作台平面中心，找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，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振刀现象，叶冠曲面部分留5～15mm不加工。加工时需喷洒大量冷却润滑液。

步骤十一：钳：

钳工去除毛刺，修正以上步骤产生的接刀痕使其平滑过渡。

步骤十二：数控车：

保证端面及径向跳动量≤0.05mm，用数控车工艺精车夹头端面、精镗轴孔。

步骤十三：线切割：

使用线切割机床将叶冠曲面部分预留的余量进行一次性切除。

步骤十四：钳：

钳工去除毛刺，抛光如抛光叶冠曲面，汽油清洗。

步骤十六：动平衡校正：

对整体叶轮进行动平衡优选是反复的动平衡并去质，使其达到所需的平衡精度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，通过以上工艺步骤的选择和顺序设置，对铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺进行了改进和提升，制造得到的整体叶轮叶片形状完整，变形量小，叶片叶面刀纹光滑顺畅，动平衡去质量小，合格率高；并且，本发明实现了该结构整体叶轮零件的工艺提升，有效保证产品质量和设计要求，提高了生产质量的稳定性，保证了产品的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的超长叶片复杂曲面整体叶轮零件的结构示意图；

图2是本发明实施例加工至步骤十二时超长叶片复杂曲面整体叶轮零件半成品的示意图；

图3是本发明实施例的超长叶片复杂曲面整体叶轮零件制造过程中的五轴加工装夹剖视图；

图中：A.超长叶片整体叶轮，B.定位销，C.夹具，D.定位芯轴，E.压紧螺母，F.三爪卡盘。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例是制造如附图1所示的超长叶片复杂曲面整体叶轮，零件直径261.9mm，轮毂直径108mm，高度38mm，叶片叶冠最大厚度1.36mm，最薄处0.39mm，叶片圆周分布叶片数量为Z＝8片，整体叶轮工况需满足高转速、大推重比、高性能的要求，曲面轮廓度要求高，动平衡性能好。

本实施例的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺技术方法，主要包括以下步骤：

步骤一：备料：

备Φ310mm×50mm的铝合金锻料。

步骤二：粗加工叶轮毛坯外形：

粗车削叶轮毛坯料外形，径向预留25mm余量，其余预留2mm余量。粗钻叶轮轴孔，孔径留1mm余量。

步骤三：热处理：

热处理，保证材料HRC≥30。

步骤四：人工时效：

将工件加热到160℃，8小时保温后随炉冷却。

步骤五：半精加工叶轮外形：

找正端面及径向跳动量≤0.05mm，半精加工整体叶轮外形，直径方向预留余量20mm，其他部分预留余量0.5mm；精镗轴孔，预留余量0.5mm。

步骤六：冰冷

从常温冷却至-60℃±5℃，并保持4小时。

步骤七：钻定位孔：

找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，钻1个Φ6的定位孔，用于定位销定位。

步骤八：五轴联动粗加工：

采用自制整体叶轮装夹夹具C，该夹具下端设夹头，中心钻有与叶轮零件轴孔相同大小的通孔，并且该夹具上设有与叶轮零件上的定位孔相同数量、位置和直径的另一定位孔，以便定位销B连接，从而便于叶轮加工在换面装夹时进行角向定位。

使用三爪卡盘F夹持该夹具C并配合定位芯轴D及压紧螺母E进行整体叶轮零件A的装夹，形成一装夹系统，之后使用压板和垫块将该装夹系统固定于机床工作台平面中心，找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，粗铣叶轮叶片及流道，并预留0.3mm余量，叶冠曲面部分留9mm不加工。加工时需冲洗大量冷却润滑液。之后换面装夹，粗加工另一面叶轮叶片及流道，预留0.3mm余量，叶冠曲面部分留9mm不加工。

步骤九：自然时效：

粗铣后的叶轮零件放置在水平的平台上，常温下静置48小时，进行自然时效。

步骤十：五轴联动精加工：

采用与步骤八相同的装夹工具和装夹方法进行装夹，形成一装夹系统，之后将该装夹系统固定于机床工作台平面中心，找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，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振刀现象，叶冠曲面部分留9mm不加工。加工时需喷洒大量冷却润滑液。

步骤十一：钳：

钳工去除毛刺，修正以上步骤产生的接刀痕使其平滑过渡。

步骤十二：数控车：

保证端面及径向跳动量≤0.05mm，用数控车工艺精车夹头端面、精镗轴孔，得到如图2所示的零件。

步骤十三：线切割：

使用线切割机床将叶冠曲面部分预留的余量进行一次性切除，得到图1所示的整体叶轮零件。

步骤十四：钳：

钳工去除毛刺，抛光叶冠曲面，汽油清洗。

步骤十六：动平衡校正：

对整体叶轮进行反复的动平衡并去质，使其达到所需的平衡精度。

本发明和本实施例通过以上制造工艺方法，对铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造进行了改进和提升，制造的整体叶轮的叶片形状完整，变形量小，叶片叶面刀纹光滑顺畅，动平衡去质量小，合格率高；并且，本发明的制造方法实现了该结构整体叶轮零件的工艺提升，有效保证产品质量和设计要求，提高了生产质量的稳定性，保证了产品的可靠性。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，主要包括以下步骤：备料→粗加工叶轮毛坯外形→热处理→人工时效→半精加工叶轮外形→冰冷→钻定位孔→五轴联动粗加工→自然时效→五轴联动精加工→钳→数控车→线切割→钳→动平衡。

2.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述备料为：准备切削性能良好的硬铝合金锻件棒料，所述硬铝合金锻件棒料的尺寸直径方向大于整体叶轮零件成品直径20～60mm，高度方向大于整体叶轮零件成品10mm～20mm。

3.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述粗加工叶轮毛坯外形为：粗车削叶轮毛坯料外形，直径方向预留余量15～45mm，其他部分预留余量1～5mm；粗钻轴孔，轴孔预留余量0.5～1.5mm。

4.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述热处理步骤保证洛氏硬度HRC≥30。

5.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述人工时效为：将工件加热到160℃±5℃，6～8小时保温后随炉冷却，或在空气中冷却。

6.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述半精加工叶轮外形为：找正端面及径向跳动量≤0.05mm，半精加工整体叶轮外形，直径方向预留余量5～25mm，其他部分预留余量0.5mm～2mm；精镗轴孔，预留余量0.3mm～0.5mm。

7.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述冰冷为：从常温冷却至温度-60℃±5℃，并保持2～4小时。

8.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述五轴联动粗加工为：找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，粗铣叶轮叶片及流道，并预留0.3～1mm余量，叶冠曲面部分留5～25mm不加工，加工时冲洗大量冷却润滑液；之后换面装夹，粗加工另一面叶轮叶片及流道，预留0.3～1mm余量，叶冠曲面部分留5～25mm不加工；或，若叶轮结构允许一次装夹即可粗加工完毕，则无需换面装夹；

所述五轴联动精加工为：找正零件端面及径向跳动量≤0.05mm，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振刀现象，叶冠曲面部分留5～15mm不加工，加工时喷洒大量冷却润滑液。

9.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述自然时效为：粗铣后的叶轮零件放置在水平的平台上，常温下静置24小时以上，进行自然时效。

10.如权利要求1所述的铝合金材料超长叶片复杂曲面整体叶轮的制造工艺，其特征在于，所述数控车为：保证端面及径向跳动量≤0.05mm，用数控车工艺精车夹头端面、精镗轴孔。