CN110125497B - 一种高温合金盘件榫槽的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种高温合金盘件榫槽的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，首先对高温合金盘件的榫槽轮廓进行线切割粗加工；步骤二，选择砂轮材料，并根据榫槽轮廓最窄处尺寸选择砂轮形状，用于榫槽轮廓的磨削精加工；当榫槽轮廓最窄处尺寸小于断刀最小尺寸时，选择全轮廓仿形砂轮，当榫槽轮廓最窄处尺寸大于断刀最小尺寸时，选择半轮廓仿形砂轮；步骤三，确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮在磨削精加工过程的运动路径；步骤四，进行高温合金盘件榫槽的磨削精加工。

Description

一种高温合金盘件榫槽的加工方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，尤其涉及一种高温合金盘件榫槽的加工方法。

背景技术

高温合金盘件，盘件与旋转件之间的连接固定，通常在盘件边缘设置榫槽固定连接结构。例如航空发动机常用的盘件，其与涡轮叶片的连接即采用榫槽固定连接结构。传统的高温合金盘件榫槽一般采用成形铣削加工、拉削加工、电加工等单一加工方式，也有采用大直径杯型砂轮的成形或展成磨削加工方式对其进行加工。

上述加工方法至少存在以下缺点：

高温合金盘件的材料属于典型的难加工材料。在单一铣削加工或拉削加工过程中，材料的去除量相对较大，同时，刀具切削刃磨损极快，刀具有效使用寿命短，导致榫槽加工精度和表面质量不易保证，尤其是针对粉末冶金高温合金榫槽进行加工时，成形铣刀或拉刀的使用寿命更短；另一方面，高精度榫槽成形铣刀或拉刀的制造难度很大，研制周期较长，导致成形铣削或拉削加工工艺在榫槽加工中的应用灵活性差，新型号盘件的研制周期较长。

而采用大直径杯型砂轮对榫槽进行成形或展成法磨削加工时，杯型砂轮的几何结构尺寸受盘件榫槽的厚度、榫槽轮廓尺寸的限制较大，极易出现杯型砂轮的直径过大、杯型结构的壁厚过小等问题，导致杯型砂轮的结构无法满足加工的要求，尤其是针对圆弧形榫槽进行磨削加工时，大直径杯型砂轮更不容易满足要求。

若榫槽采用电加工方法，一般可以分为放电加工方式和电解加工方式两种，放电加工方式又有线切割加工和电火花加工两种。采用单一线切割或电火花加工方式对高温合金榫槽的加工处于工艺研究阶段，目前并没有在实际零件上进行应用，主要是因为放电加工后会在加工表面形成重铸层，严重影响加工表面质量，降低榫槽的抗疲劳性能。

榫槽电解加工的精度较低，成形电极的设计困难，不能满足盘件榫槽最终高精度的设计要求，且电解设备昂贵，污染较大，工艺灵活性差，也不利于叶轮新产品的快速研制。

因此，本领域需要一种高精度、高效、低成本的加工方法的高温合金盘件榫槽的加工方法。

发明内容

本发明的目的提出高精度、高效、低成本的加工方法的高温合金盘件榫槽的加工方法。

根据本发明一方面的一种高温合金盘件榫槽的加工方法，包括如下步骤：

步骤一，首先对高温合金盘件的榫槽轮廓进行线切割粗加工；

步骤二，选择砂轮材料，并根据榫槽轮廓最窄处尺寸选择砂轮形状，用于榫槽轮廓的磨削精加工；当榫槽轮廓最窄处尺寸小于断刀最小尺寸时，选择全轮廓仿形砂轮，当榫槽轮廓最窄处尺寸大于断刀最小尺寸时，选择半轮廓仿形砂轮；

步骤三，确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮在磨削精加工过程的运动路径；

步骤四，进行高温合金盘件榫槽的磨削精加工。，

在一个实施例中，所述步骤一中，所述线切割粗加工的加工轮廓，与榫槽轮廓相似，所述线切割粗加工的加工余量，大于所述线切割粗加工所形成的重铸层的厚度。

在一个实施例中，所述高温合金为镍基铸造、变形或粉末冶金高温合金。

在一个实施例中，所述砂轮材料为电镀陶瓷基或树脂基的立方氮化硼或金刚石超硬磨料或高速钢超硬磨料。

在一个实施例中，所述加工方法还包括，测试不同砂轮材料对应的所述断刀最小尺寸。

在一个实施例中，所述步骤三的半轮廓仿形砂轮的运动路径，需要沿所述半轮廓仿形砂轮的转轴轴向更换加工位置，以保证每次走刀的榫槽轮廓部分能够相互搭接。

在一个实施例中，所述步骤三的全轮廓仿形砂轮的运动路径，一次走刀即可完成榫槽轮廓的单边轮廓曲线加工。

在一个实施例中，所述步骤二的半轮廓仿形砂轮的最小砂轮直径小于10mm，砂轮材料为高速钢时，转速不大于30000转/分钟，砂轮材料为硬质合金时，转速不大于50000转/分钟。

在一个实施例中，所述步骤三还包括通过编制数控加工程序确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮的加工过程运动路径。

在一个实施例中，所述高温合金盘件为高温合金涡轮盘。

本发明的进步效果在于，本发明同时利用到线切割和超硬磨料砂轮磨削加工高温合金盘件榫槽的优势，是实现高温合金盘件榫槽高精度、高效、低成本的加工工艺方法，且工艺所需设备的制造成本较低，易于此复合加工工艺的推广应用，根据高温合金盘件榫槽的结构尺寸和特点，首先设计合理的线切割走丝路线，采用线切割对榫槽轮进行粗加工，并留有合理的加工余量，可以保证榫槽表面的重铸层不会影响到榫槽最后的几何尺寸和精度。之后根据榫槽轮廓最窄处进行全轮廓与半轮廓仿形砂轮的选择，避免了磨削成形过程中发生工件表面烧伤，砂轮断刀等事故。采用超硬磨料砂轮仿形磨削加工去除线切割加工后的重铸层和加工余量，进而完成高温合金盘件榫槽的磨削加工。线切割加工方法与传统的机械加工方法相比，可以大幅降低高温合金榫槽粗加工的机床设备成本和刀具成本，材料去除率和加工效率也较高。超硬磨料砂轮的精度保持性较好，易于实现难加工材料高温合金的高精度、高效加工。同时，此复合加工工艺结合了两种加工方法各自的技术优势，设备成本较低，工艺灵活性高，有利于高温合金盘件新产品的快速加工以及性能试验

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明一实施例的加工高温合金涡轮盘所需毛坯的局部示意图。

图2是本发明一实施例的高温合金涡轮盘榫槽线切割粗加工的示意图。

图3是本发明一实施例的高温合金涡轮盘榫槽超硬磨料砂轮仿形磨削过程的示意图。

图4是本发明一实施例的高温合金涡轮盘榫槽全轮廓仿形磨削的示意图。

图5是本发明一实施例的高温合金涡轮盘榫槽半轮廓仿形磨削的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

以下是根据本发明一个方面的高温合金盘件榫槽的加工方法的实施例，此实施例中，高温合金盘件为高温合金涡轮盘。

步骤S1.首先对高温合金涡轮盘的榫槽轮廓进行线切割粗加工；

如图1、图2所示，根据高温合金涡轮盘榫槽8的结构形式和尺寸，线切割电极丝2对毛坯1沿着的线切割轮廓3进行粗加工。线切割轮廓3与榫槽轮廓5相似，与榫槽轮廓5之间保留有加工余量。优选地，上述加工余量应大于线切割过程中在加工表面形成的重铸层4的厚度，重铸层4的厚度可预先由线切割参数如走丝速度、电极丝2表面粗糙度、电极丝2内孔孔径以及毛坯1的材料等因素确定。选取大于重铸层4的加工余量，避免了余量过小，导致后续加工除去重铸层4导致的应力释放影响榫槽轮廓5的加工精度，保证榫槽8表面的重铸层4不会影响到榫槽8最后的几何尺寸和精度。上述高温合金可以是镍基铸造、变形或粉末冶金高温合金，但不以此为限。首先对高温合金涡轮盘进行线切割粗加工，基本保证了榫槽8的几何尺寸，避免成形铣削加工或拉削加工时的刀具磨损，也无需结构复杂的铣刀或拉刀，大幅降低高温合金榫槽粗加工的机床设备成本和刀具成本。

步骤S2.选择砂轮材料，并根据榫槽轮廓5最窄处尺寸选择砂轮形状，用于榫槽轮廓5的磨削精加工；当榫槽轮廓最窄处尺寸小于断刀最小尺寸时，选择全轮廓仿形砂轮，当榫槽轮廓最窄处尺寸大于断刀最小尺寸时，选择半轮廓仿形砂轮；

具体地，如图3至图5所示，根据步骤S1的线切割加工后榫槽轮廓3的尺寸，以及榫槽轮廓5的表面质量、几何尺寸和精度要求，确定砂轮7的材料，例如选用电镀陶瓷基或树脂基的立方氮化硼或金刚石超硬磨料砂轮，也可以选用高速钢超硬磨料砂轮。

之后，再根据榫槽轮廓5的最窄处尺寸d，选择全轮廓仿形砂轮71或半轮廓仿形砂轮72进行榫槽8的成形磨削加工。如图4所示，全轮廓仿形砂轮71的砂轮参与磨削部分的母线与榫槽轮廓5曲线完全贴合，如图5所示，半轮廓仿形砂轮72的砂轮参与磨削部分的母线与榫槽轮廓5曲线部分贴合。若榫槽轮廓5的最窄处尺寸d小于断刀最小尺寸，则需采用全轮廓仿形砂轮71；若最窄处尺寸d大于断刀最小尺寸，则采用半轮廓仿形砂轮72。全轮廓仿形砂轮71与半轮廓仿形砂轮72的选择，可以保证磨削加工的高精度、高效率，避免加工表面烧伤、砂轮断刀现象的发生。当最窄处尺寸d小于断刀最小尺寸时，采用全轮廓仿形砂轮71，保证了砂轮的转轴6具有足够的刚度，防止断刀事故的发生。同时，采用全轮廓仿形砂轮71，可一次走刀完成加工，提升了加工效率，但采用全轮廓仿形砂轮71与加工表面的跳动大，将影响榫槽轮廓5的加工精度。当最窄处尺寸d大于断刀最小尺寸时，由于最窄处尺寸d较大，断刀事故可能性较小，采用形状较为简单的半轮廓仿形砂轮72，其加工转速高，加工精度、表面质量好。上述断刀最小尺寸根据不同材料的砂轮而不同，为砂轮发生断刀事故时砂轮直径的最小值，一般通过前期对不同材料、不同直径的砂轮进行加工测试而得到。同时，虽然半轮廓仿形砂轮72的断刀事故可能性较小，但加工转速也不宜过大，例如砂轮的最小砂轮直径小于10mm，高速钢砂轮转速不高于30000转/分钟，硬质合金砂轮转速不高于50000转/分钟，以防止断刀事故的发生。

步骤S3.确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮在磨削精加工过程的运动路径

具体地，根据选择的砂轮轮廓形状为全轮廓或半轮廓仿形砂轮，选取合适的磨削加工参数和数控机床运动方式，编制数控磨削加工程序，通过数控程序控制砂轮的运动路径，从而形成砂轮对榫槽的磨削加工运动轨迹。例如，全轮廓仿形砂轮71参与磨削部分的母线与榫槽轮廓曲线5完全贴合，砂轮在数控程序的控制下，按照设定的运动轨迹，将榫槽轮廓5通过全轮廓仿形磨削的方法加工出来。利用全轮廓仿形磨削的方法加工榫槽8时，单个仿形砂轮只需一次走刀即可完成榫槽8单边轮廓曲线的磨削加工。利用半轮廓仿形磨削的方法加工榫槽8时，单个仿形砂轮一次走刀只能加工榫槽8单边轮廓曲线的一部分。为了完成整个榫槽8的单边轮廓曲线的加工，需要沿轴向更换砂轮的加工位置，并保证仿形砂轮7参与磨削部分每次磨削加工的榫槽轮廓部分能够相互搭接，多次走刀，进而形成最终的榫槽轮廓5。

步骤S4.进行高温合金涡轮盘榫槽的磨削精加工

具体地，仿形砂轮7在数控机床主轴的驱动下旋转，并按照步骤S3编制的数控加工程序设定的运动路径，进行高温合金涡轮盘榫槽轮廓5的磨削精加工。

综上，现有技术中高温合金榫槽加工成本高、效率低，前述加工方法提出一种利用线切割粗加工和超硬磨料砂轮精加工的高温合金涡轮盘榫槽复合加工方法，根据高温合金涡轮盘榫槽的结构尺寸和特点，首先设计合理的线切割走丝路线，采用线切割对榫槽轮进行粗加工，并留有合理的加工余量，可以保证榫槽表面的重铸层不会影响到榫槽最后的几何尺寸和精度。之后根据榫槽轮廓最窄处进行全轮廓与半轮廓仿形砂轮的选择，避免了磨削成形过程中发生工件表面烧伤，砂轮断刀等事故。采用超硬磨料砂轮仿形磨削加工去除线切割加工后的重铸层和加工余量，进而完成高温合金涡轮盘榫槽的磨削加工。线切割加工方法与传统的机械加工方法相比，可以大幅降低高温合金榫槽粗加工的机床设备成本和刀具成本，材料去除率和加工效率也较高。超硬磨料砂轮的精度保持性较好，易于实现难加工材料高温合金的高精度、高效加工。同时，此复合加工工艺结合了两种加工方法各自的技术优势，设备成本较低，工艺灵活性高，有利于高温合金涡轮盘新产品的快速加工以及性能试验。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温合金盘件榫槽的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，首先对高温合金盘件的榫槽轮廓进行线切割粗加工；测试不同砂轮材料对应的断刀最小尺寸；

步骤二，选择砂轮材料，并根据榫槽轮廓最窄处尺寸选择砂轮形状，用于榫槽轮廓的磨削精加工；当榫槽轮廓最窄处尺寸小于断刀最小尺寸时，选择全轮廓仿形砂轮，当榫槽轮廓最窄处尺寸大于断刀最小尺寸时，选择半轮廓仿形砂轮；

步骤三，确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮在磨削精加工过程的运动路径；

步骤四，进行高温合金盘件榫槽的磨削精加工。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤一中，所述线切割粗加工的加工轮廓，与榫槽轮廓相似，所述线切割粗加工的加工余量，大于所述线切割粗加工所形成的重铸层的厚度。

3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述高温合金为镍基铸造、变形或粉末冶金高温合金。

4.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述砂轮材料为电镀陶瓷基或树脂基的立方氮化硼或金刚石超硬磨料或高速钢超硬磨料。

5.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤三的半轮廓仿形砂轮的运动路径，需要沿所述半轮廓仿形砂轮的转轴轴向更换加工位置，以保证每次走刀的榫槽轮廓部分能够相互搭接。

6.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤三的全轮廓仿形砂轮的运动路径，一次走刀即可完成榫槽轮廓的单边轮廓曲线加工。

7.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤二的半轮廓仿形砂轮的最小砂轮直径小于10mm，砂轮材料为高速钢时，转速不大于30000转/分钟，砂轮材料为硬质合金时，转速不大于50000转/分钟。

8.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤三还包括通过编制数控加工程序确定所述步骤二中所述全轮廓仿形砂轮或所述半轮廓仿形砂轮的加工过程运动路径。

9.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述高温合金盘件为高温合金涡轮盘。

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