CN111390655B - 一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法，首次结合采用新型WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削。其高效磨削工艺参数为：砂轮线速度Vs＝45～60m/s、工件进给速度Vw＝300～400mm/min、单次切削深度ap≤0.2mm。本发明方法在对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削时，可同时实现磨削效率和磨削表面质量的提升和优化。

Description

一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法
技术领域
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种难加工高温合金材料高压涡轮盘安装端面在高速、大切削深度磨削时，其高效和高质量磨削工艺方法。
背景技术
航空发动机的高压涡轮盘(简称：高涡盘)是高压涡轮部分的核心关键零件，其在工作中承受大的离心负荷，且处于高温环境，故使高涡盘材料常选用抗氧化、耐腐蚀性能良好的高温合金。现有技术中，高温合金材料高涡盘的安装端面是使用普通刚玉材料砂轮和常规磨削工艺参数进行加工，存在砂轮使用线速度低、单次切削深度小，使磨削效率低的问题。其常规磨削工艺参数为砂轮线速度Vs＝20～30m/s、工件进给速度Vw＝60～120mm/min、单次切削深度ap≤0.08mm,可获得材料去除率最大为9.6mm3/mm·s，磨削表面粗糙度Ra＝0.7～0.8μm，平面度为4～5μm；此外，当使用普通刚玉材料砂轮以高速、大切深磨削时，存在磨削过程极易发生烧伤、砂轮磨损剧烈、磨削表面质量难控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法，以克服现有技术的缺陷。本发明首次结合采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，同时实现磨削效率和磨削表面质量的提升和优化。
一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法，包括以下步骤：
步骤一：采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮作为磨削砂轮；
步骤二：选择切入式磨削作为高温合金材料高涡盘安装端面的磨削方式；
步骤三：采用如下高效磨削工艺参数进行切削：砂轮线速度Vs＝45～60m/s、工件进给速度Vw＝300～400mm/min、单次切削深度ap≤0.2mm。
进一步地，步骤一具体为：通过对比试验分析比较不同磨料微晶刚玉砂轮在常规磨削工艺参数下对高温合金的磨削加工性能，优选出WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮作为磨削砂轮对高温合金材料高涡盘安装端面进行磨削。
进一步地，步骤一中对比试验以材料去除率、磨削表面粗糙度、磨削表面烧伤及砂轮磨损为评价指标进行分析。
进一步地，步骤二中采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮，分别以横向式磨削和切入式磨削两种磨削方式加工高压涡轮盘安装端面，评价两种磨削方式的效果。
进一步地，步骤二中评价两种磨削方式的效果的方法为：用光学显微镜观察磨削后的零件表面微观纹理，并将微观纹理显示更加优良的切入式磨削方式作为后续优化磨削方式选取的依据。
进一步地，经步骤一、二、三的结合应用，切削获得材料去除率最大达 80mm3/mm·s。
进一步地，还包括步骤四：对结合采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮、切入式磨削方式和高效磨削工艺参数磨削出的高温合金材料高涡盘安装端面进行质量评定，验证磨削效果。
进一步地，步骤四中质量评定指标包括表面粗糙度、平面度及金相分析。
进一步地，磨削出的高压涡轮盘安装端面粗糙度为Ra≤0.5μm，平面度≤5μm，在显微镜下观察显示磨削出的高压涡轮盘安装端面的表面完整性较好，未见明显变形层、裂纹及剥落缺陷，满足高温合金材料高涡盘安装端面设计指标要求。
进一步地，磨削效率提高8倍以上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明首次通过结合采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，同时实现磨削效率和磨削表面质量的提升和优化。解决了现有技术磨削过程存在的加工效率与磨削质量不能同时兼顾的问题。根据获得的材料去除率，本发明磨削效率较现有技术提高8倍以上；表面粗糙度由Ra＝0.7～0.8μm优化到Ra≤0.5μm，即优化近1个等级；平面度依然保持在≤5μm的良好状态，工程实用性强。
附图说明
图1是WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮及其磨削工作方式图，其中(a) 为WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮；(b)为砂轮磨削工作方式；
图2是切入式磨削后零件表面宏观状态和微观纹理图；其中(a)为切入式磨削后零件表面宏观状态；(b)为切入式磨削后零件表面微观纹理；
图3是横向式磨削后零件表面宏观状态和微观纹理图，其中(a)为横向式磨削后零件表面宏观状态；(b)为横向式磨削后零件亮条纹表面微观纹理； (c)为横向式磨削后零件暗条纹表面微观纹理；
图4是白光干涉三维表面轮廓仪检测的磨削表面形貌和粗糙度显示；其中(a)为截面1的表面粗糙度检测效果软件分析图；(b)为截面2的表面粗糙度检测效果软件分析图；
图5是平面度仪检测的磨削表面平面度显示；其中(a)为平面度整体评价软件分析图；(b)为平面度局部截面量化评价软件分析图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
一种高温合金材料高压涡轮盘安装端面的高效和高质量磨削方法。首次结合采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，从而提高材料去除率，以同时实现高压涡轮盘安装端面磨削效率和磨削质量的提高。其磨削工艺参数的优化方向为：提高砂轮线速度，适当增大工件进给速度和单次磨削深度，提高高温合金材料高压涡轮盘磨削效率和质量，包括以下步骤：
步骤一：采用高效磨削砂轮
采用常规磨削工艺参数，开展微晶刚玉材料砂轮的磨削性能试验。通过对比试验，以材料去除率、磨削表面粗糙度、磨削表面烧伤、砂轮磨损等为评价指标，对砂轮具有的加工能力和已达到的水平做出客观评估，为新型微晶刚玉材料砂轮的优选提供基础数据与参考，并确立优化的高效磨削工艺。优选出WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮在磨削高温合金材料高涡盘安装端面时表面质量好，砂轮耐用度高。
步骤二：采用高质量磨削方式
采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮，分别以横向式磨削和切入式磨削两种磨削方式加工高压涡轮盘安装端面；之后用光学显微镜观察磨削后的零件表面微观纹理，并将该纹理作为后续优化磨削方式选取的依据。观察发现，用切入式磨削方式磨削出的零件宏观表面状态较横向式磨削光亮、细腻，其微观纹理刀痕均匀，主要以连续性磨削痕迹为主。故后续优化磨削时，采用切入式磨削作为高温合金材料高涡盘安装端面的磨削方式。
步骤三：采用高效磨削工艺参数
在采用上述WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮和切入式磨削方式的基础上，提高砂轮线速度、工件进给速度并增大单次切削深度，直至工件表面出现烧伤，即可取得砂轮所能达到的最大材料去除率。其获得的高效磨削工艺参数为：砂轮线速度Vs＝45～60m/s、工件进给速度Vw＝300～400mm/min、单次切削深度ap≤0.2mm，可获得材料去除率最大达80mm3/mm·s。
步骤四：表面质量评定
对综合采用上述WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮、切入式磨削方式和高效磨削工艺参数磨削出的高温合金材料高涡盘安装端面，在表面粗糙度、平面度、金相分析等方面进行质量评定，验证磨削效果。评定结果为，本发明方法磨削出的零件表面粗糙度为Ra≤0.5μm，平面度≤5μm，满足高温合金材料高涡盘安装端面设计指标要求。
下面结合附图对本发明实施例做详细描述：
本实施方式中，高压涡轮盘采用难加工材料高温合金，零件安装端面磨削加工余量大，单边加工余量达1-2mm，粗糙度要求Ra＝0.8μm，平面度要求5μm。为满足高效高质量磨削，首次通过结合采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，可同时大幅度提高零件材料去除率和磨削表面质量。
提高高温合金材料高涡盘安装端面磨削效率和质量的方法，具体实施步骤如下：
步骤一：以工件加工效率、砂轮磨损、表面粗糙度等为评价指标，分析比较不同磨料微晶刚玉砂轮在常规磨削工艺参数下对高温合金的磨削加工性能。优选出WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮在磨削高温合金材料高涡盘安装端面时表面质量好，砂轮耐用度高，且能够获得最大的材料去除率，有助于加工效率提高。WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮及其磨削工作方式如图1。
步骤二：采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮，分别以横向式磨削和切入式磨削两种磨削方式加工高温合金材料高涡盘安装端面；之后用光学显微镜观察两种方式磨削后零件表面微观纹理。
检测结果如图2、3，可以看出切入式磨削方式加工出的零件宏观表面状态比较光亮、细腻，其微观纹理刀痕均匀，主要以连续性磨削痕迹为主；横向式磨削方式加工出的零件宏观表面状态出现连续的明暗条纹，且其微观纹理显示亮条纹表面主要以连续磨削痕迹为主，暗条纹表面主要为大量不连续的撕裂状缺陷。因此，采用切入式磨削方式加工获得的零件表面状态较好，故优化选取切入式磨削作为高温合金材料高涡盘安装端面的后续磨削方式。
步骤三：采用直径为Φ300的WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮，结合切入式磨削方式和高效磨削工艺参数进行高涡盘安装端面高速、大切深磨削。其优化的高效磨削工艺参数为：砂轮线速度Vs＝45～60m/s；工件进给速度 Vw＝300～400mm/min、单次切削深度ap≤0.2mm，可获得材料去除率最大达 80mm3/mm·s。
加工高温合金材料高涡盘安装端面的常规磨削参数使用见表1，本发明高效磨削参数使用见表2。可以看出，本发明方法较常规加工方法，其切深次数由17次降至8次即可完成高涡盘安装端面的高速、大切削深度磨削。
表1高温合金材料高涡盘安装端面常规磨削参数表
Figure BDA0002434219990000061
表2高温合金材料高涡盘安装端面高效磨削参数表
Figure BDA0002434219990000062
步骤四：对采用上述WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮，切入式磨削方式和高速、大切深高效磨削工艺参数加工出的高温合金材料高压涡轮盘安装端面表面进行质量评定。首先，用白光干涉三维表面轮廓仪检测被磨削表面的表面粗糙度达到Ra＝0.381μm和Ra＝0.420μm，见图4；用平面度仪检测被磨削表面的平面度达到4.393μm，见图5。其次，在显微镜下观察显示磨削试片的表面完整性较好，未见明显变形层、裂纹、剥落等缺陷。满足高温合金材料高涡盘安装端面的设计指标要求。
至此，首次结合采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮，切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数的一整套工艺方法，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，便可同时实现对高温合金材料高压涡轮盘安装端面的高效率和高质量磨削。根据获得的材料去除率，本发明磨削效率较现有技术提高8倍以上；表面粗糙度由Ra＝0.7～0.8μm提高到Ra≤0.5μm，提高近1个等级；平面度依然保持在≤5μm的良好状态。工程实用性强。另外，WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮耐磨性好、具有良好的形状保持性，修整容易，可显著降低工具使用成本及高涡盘磨削加工综合成本。

Claims (1)

1.一种高压涡轮盘安装端面高速大切深磨削方法，其特征在于，针对难加工高温合金材料高压涡轮盘安装端面，采用WA/SA微晶刚玉材料砂轮、切入式磨削方式和其适用的高效磨削工艺参数，对难加工高温合金材料高压涡轮盘的安装端面进行高速、大切削深度磨削，以实现磨削效率和磨削表面质量的提升和优化；
具体包括以下步骤：
步骤一：采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮作为磨削砂轮；具体地，通过对比试验分析比较不同磨料微晶刚玉砂轮在常规磨削工艺参数下对高温合金的磨削加工性能，优选出WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮作为磨削砂轮对高温合金材料高涡盘安装端面进行磨削；
其中，对比试验以材料去除率、磨削表面粗糙度、磨削表面烧伤及砂轮磨损为评价指标进行分析；
步骤二：选择切入式磨削作为高温合金材料高涡盘安装端面的磨削方式；具体地，分别以横向式磨削和切入式磨削两种磨削方式加工高压涡轮盘安装端面，用光学显微镜观察磨削后的零件表面微观纹理，并将微观纹理显示更加优良的切入式磨削方式作为后续优化磨削方式选取的依据；
步骤三：采用如下高效磨削工艺参数进行切削：砂轮线速度Vs＝45～60m/s、工件进给速度Vw＝300～400mm/min、单次切削深度ap≤0.2mm；
步骤四：对结合采用WA/SA磨料微晶陶瓷刚玉砂轮、切入式磨削方式和高效磨削工艺参数磨削出的高温合金材料高涡盘安装端面进行质量评定，验证磨削效果；其中，质量评定指标包括表面粗糙度、平面度及金相分析；
经步骤一、二、三、四的结合应用，切削获得材料去除率最大达80mm3/mm·s，磨削出的高压涡轮盘安装端面粗糙度为Ra≤0.5μm，平面度≤5μm，在显微镜下观察显示磨削出的高压涡轮盘安装端面的表面完整性较好，未见明显变形层、裂纹及剥落缺陷，满足高温合金材料高涡盘安装端面设计指标要求，磨削效率提高8倍以上。
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