CN111906360A - 一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，包括以下步骤，步骤1，采用陶瓷铣刀在去除氧化皮的毛坯料的上表面进行干式切削，加工出横截面呈V字形的环形槽；步骤2，采用陶瓷铣刀从毛坯料的侧边向环形槽进行干式切削，对叶轮的叶片流道进行开粗处理，形成主叶片与分流叶片处的流道，得到粗加工后的闭式叶轮工件；干式切削中铣刀的切削速度不小于530m/min。加工过程中利用相对较高的切削速度产生切削热，切削热产生的热量使得镍基高温合金材料软化，达到提升加工过程中加工效率的目的。基于镍基高温合金材料的粗加工工艺方案，进一步改进了粗加工的效率，具有较高的加工效率，可以有效的节省加工成本，提升加工过程的加工效率。

Description

一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法
技术领域
本发明涉及高速切削加工领域，具体为一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法。
背景技术
叶轮是航空航天类飞行器发动机的心脏。其制造质量直接决定着机械的能量转换率和运行寿命，其加工过程和加工技术的制造水平决定着国家的制造业核心竞争力。然而目前我国的主要高性能和大推进比发动机很多都依赖于进口。主要原因中，有一方面是由于我国目前缺少相应成熟的航空叶轮制造技术。现有的加工精度难以达到相应的设计要求，加工效率低下导致产量低下，成本较高。
镍基高温合金闭式叶轮是高温合金4061锻件整体加工而成，目前现有针对该种零件的普遍加工方法是采用电火花加工，存在加工效率低下，加工成本高等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，可以提升工件粗加工的加工效率，加工速度快，加工成本低，无环境污染。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，包括以下步骤，
步骤1，采用陶瓷铣刀在去除氧化皮的毛坯料的上表面进行干式切削，加工出横截面呈V字形的环形槽；
步骤2，采用陶瓷铣刀从毛坯料的侧边向环形槽进行干式切削，对叶轮的叶片流道进行开粗处理，形成主叶片与分流叶片处的流道，得到粗加工后的闭式叶轮工件；
所述干式切削中铣刀的切削速度不小于530m/min。
优选的，所述陶瓷铣刀整体采用SiAlON材质，铣刀直径为12mm～20mm。
优选的，步骤1中，加工环形槽时将毛坯料上表面朝上进行正向装夹；步骤2中，对闭式叶轮的侧向叶片流道进行开粗处理时将环形槽的开口朝下进行反向装夹。
进一步的，所述正向装夹和反向装夹过程中使用加工夹具，所述加工夹具呈圆台状，圆台下底面延伸设置形成圆柱，圆台上底面设置加工定位键；所述定位键呈圆柱状，圆柱定位键周向相对设置有一长一短的防错凸块。
进一步的，步骤1中，在进行正向装夹过程中，叶轮工件的上表面朝上，叶轮工件下表面的定位键槽与加工夹具的定位键插接配合，叶轮工件的上表面设置有压板，螺栓穿过压板与加工夹具连接，压板和加工夹具将叶轮工件夹紧后，陶瓷铣刀从叶轮工件的上表面进行加工环形槽。
进一步的，步骤2中，在进行反向装夹过程中，叶轮工件的环形槽的开口朝下，叶轮工件上表面的定位键槽与加工夹具的定位键插接配合，叶轮工件的下表面设置有压板，螺栓穿过压板与加工夹具连接，压板和加工夹具将叶轮工件夹紧后，陶瓷铣刀从侧面进行开粗处理加工叶片流道，得到粗加工后的闭式叶轮工件。
优选的，所述切削速度是通过对镍基高温合金材料进行切削试验获得，具体为对切削试验中切削力和温度的实验数据的进行插值拟合，得到二阶高斯插值多项式拟合曲线，通过拟合曲线拐点的切削力对应得到最低切削速度值。
进一步的，拟合曲线的表达式为：
Figure BDA0002627884030000021
其中，t为切削温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，叶轮的加工过程中采用干式切削技术，采用陶瓷铣刀的切削速度至少530m/min，加工过程中利用相对较高的切削速度产生切削热，切削热产生的热量使得镍基高温合金材料软化，达到提升加工过程中加工效率的目的。基于镍基高温合金材料的粗加工工艺方案，进一步改进了粗加工的效率，具有较高的加工效率，可以有效的节省加工成本，提升加工过程的加工效率。在加工过程中是利用刀具进行干式切削，不采用切削液，粗加工阶段的污染较少，加工效率更高。
进一步的，整体陶瓷材质铣刀直径为12mm～20mm，采用SiAlON陶瓷材质，在叶轮粗加工阶段的陶瓷刀具加工效率相较于普通刀具的效率高1倍以上，粗加工时间大大缩短，改进了之前的采用电火花加工的工艺，减少了加工时间，提升了加工效率。
进一步的，叶轮加工过程中使用加工夹具，加工夹具呈圆台状，圆台下底面延伸设置形成圆柱，圆台上底面设置加工定位键；定位键呈圆柱状，圆柱定位键周向相对设置有一长一短的防错凸块。设计的一长一短定位键防错结构的夹具结构简单，节省夹具制造时间。夹具的结构可以在零件更换其正反面时不发生零件的定位错误，同时整个加工过程只更换被加工零件的一次方向，节省夹具制造成本。
附图说明
图1为本发明实例中所述镍基高温合金零件叶轮结构示意图；
图2为本发明实例中所述镍基高温合金零件叶轮结构剖面图；
图3为本发明实例中所述加工夹具结构示意图；
图4为本发明实例中所述零件与夹具正向装配示意图；
图5为本发明实例中所述零件与夹具正向装配剖面图；
图6为本发明实例中所述零件与夹具反向装配示意图；
图7为本发明实例中所述零件与夹具反向装配剖面图；
图8为本发明实例中所述镍基高温合金材料软化效应对应的切削速度和切削力曲线图；
图9为本发明实例中所述镍基高温合金在高温下导致的材料软化率曲线图；
图10为本发明实例中所述陶瓷铣刀定轴粗加工零件上表面流道示意图；
图11为本发明实例中所述陶瓷铣刀定轴粗加工零件侧向流道示意图；
图中：主叶片1；流道2；分流叶片3；加工夹具4；叶轮工件5；压板6；螺栓7；陶瓷铣刀8。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种针对镍基高温合金零件的高效加工工艺方法，采用专用夹具提升了零件的装夹效率，粗加工阶段使用陶瓷刀具和高速的切削加工方法去除了大量的材料余量，主要利用材料的固有软化特性，达到提升现有工艺方案加工效率的目的。该加工方法对镍基高温合金类零件的加工具有重要的意义和广泛的应用前景。
一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，包括以下步骤，
步骤1，采用陶瓷铣刀8在去除氧化皮的毛坯料的上表面进行干式切削，加工出横截面呈V字形的环形槽；
步骤2，采用陶瓷铣刀8从毛坯料的侧边向环形槽进行干式切削，对叶轮的叶片流道进行开粗处理，形成主叶片1与分流叶片3处的流道2，得到粗加工后的闭式叶轮工件5；
所述干式切削中铣刀的切削速度不小于530m/min。
对毛坯料进行去除氧化皮后形成闭式叶轮的主要外形轮廓，如图4所示，闭式叶轮工件5的毛坯料外形轮廓，在闭式叶轮工件5的毛坯料上表面进行干式切削，形成绕轴线的环形槽，环形槽的截面呈V字形。
从毛坯料的侧向曲面对叶轮的侧向叶片流道进行开粗处理时，陶瓷铣刀8在毛坯料的曲面上朝向环形槽进行开槽，贯穿至V字形环形槽，最终形成主叶片1和分流叶片3以及流道2，得到如图1所示的闭式叶轮。
对粗加工后的叶轮尺寸进行检测，保证零件的加工精度。在去除氧化皮的同时加工叶轮工件5的整体外形，直径小的面为上表面，直径大的面为下表面。
镍基高温合金材料以元素镍为基体，含量在50％以上，在高温范围内具有较高的强度和良好的抗氧化性，为航空航天发动机常用材料之一。
叶轮的加工过程中采用干式切削技术，铣刀的切削速度超过530m/min，加工过程中利用相对较高的切削速度产生切削热，切削热产生的热量使得镍基高温合金材料软化，达到提升加工过程中加工效率的目的。基于镍基高温合金材料的粗加工工艺方案，进一步改进了粗加工的效率，具有较高的效率，可以有效的节省加工成本，提升加工过程的加工效率。
镍基高温合金材料的软化特性，该特性对应加工过程中的切削速度。通过初步实验，在相同切削条件下，只针对影响切削温度的切削速度进行变化，保持其他参数不变，对不同的切削速度和切削力进行进一步的标定，得到材料软化特性曲线。
该软化特性和镍基高温合金抗拉强度与延展率随温度的变化曲线正相关，当切削速度大于527m/min时材料出现软化效应，加工时的切削力出现显著下降的情况。镍基高温合金材料，其材料软化温度为700℃左右，材料具有良好的抗氧化性能和较高的强度。
整体陶瓷材质铣刀直径为12mm，采用SiAlON陶瓷材质，在叶轮粗加工阶段的陶瓷刀具加工效率相较于普通刀具的效率高1倍以上，粗加工时间大大缩短，改进了之前的采用电火花加工的工艺，减少了加工时间，提升了加工效率。整体陶瓷铣刀8在加工镍基高温合金材料时的切削效率高于一般的硬质合金类铣刀，在加工过程中是利用刀具进行干式切削，不采用切削液，粗加工阶段的污染较少，加工效率更高。
实施例
如图1叶轮的整体示意图和图2沿环形槽底部的剖面图所示，本发明中的镍基高温合金闭式叶轮零件，闭式叶轮包括主叶片1和分流叶片3，主叶片1和分流叶片3均为七片，七片主叶片1以叶轮轴线为中心周向均匀设置，七片分流叶片3分别设置在相邻两片主叶片1之间，主叶片1和分流叶片3之间形成流道2。
叶轮零件的整体外形为阶梯状的圆柱形，叶轮零件的上表面直径小于下表面直径，上表面绕轴心设置有环形槽，环形槽的截面为V字形，通过侧向的开槽，使得叶轮零件的台阶面与下表面之间的剩余的侧向曲面一一对应延伸至环形槽剩余的壁面形成叶片，相邻叶片间的流道相对轴心倾斜设置。叶片分为主叶片1和分流叶片3，分流叶片3设置在相邻的两片主叶片1之间。
在叶轮零件绕轴心圆周相间均布着7个主叶片1和7个分流叶片3，主叶片1长约120mm，分流叶片3长约70mm，一共有7组14个流道2，叶片的薄厚不均匀，范围在3-5mm之间。
如图3所示，本实施例中的加工夹具4结构示意图，加工夹具4顶部的一长一短的定位键可以有效的将叶轮工件5位置固定，在将叶轮工件5从上面更换到下面时保持加工工件不发生错位现象。加工夹具4呈圆台状，圆台下底面延伸设置形成圆柱，圆台上底面设置加工定位键；所述定位键呈圆柱状，圆柱定位键周向相对设置有一长一短的防错凸块。
如图4至图7所示，为叶轮工件5与加工夹具4装配在一起的图像，在零件的顶部和底部均布有一长一短的定位键槽，可以保证零件的正向与反向装夹。上部设置有固定螺栓，保证零件夹紧，并在加工过程中不发生零件的错位。整个加工过程中，只需要换面一次，可节省加工时间，提升加工效率。夹具与零件具体的连接关系，一长一短的定位键如何保证不产生错位。
如图4和图5所示，叶轮工件5与加工夹具4正向装夹加工叶片外形，叶轮工件5的上表面朝上，叶轮工件5底部的定位键槽与加工夹具4的定位键插接配合进行固定，叶轮工件5的上表面中心设置有压板6，螺栓7穿过压板6与加工夹具4连接，压板6和加工夹具4将叶轮工件5夹紧后，陶瓷铣刀8从上表面进行加工叶片外形。
如图6和图7所示，叶轮工件5与加工夹具4反向装夹加工叶轮流道，叶轮工件5的下表面朝上，叶轮工件5顶部的定位键槽与加工夹具4的定位键插接配合进行固定，叶轮工件5的下表面中心设置有压板6，螺栓7穿过压板6与加工夹具4连接，压板6和加工夹具4将叶轮工件5夹紧后，陶瓷铣刀8从侧面进行开粗处理加工叶片流道，得到粗加工后的闭式叶轮工件5。
夹具结构为采用一长一短的定位键的防错结构，可以保证在零件定位的同时，减少更换装夹的次数。夹紧部分采用螺栓夹紧。在零件的夹具结构方面，设计的零件夹具具有正反装夹的特性，并且整个加工过程只需要更换零件的正反面只装夹1次，提升了零件的装夹效率。设计的一长一短定位键防错结构的夹具结构简单，节省夹具制造时间。夹具的结构可以在零件更换其正反面时不发生零件的定位错误，同时整个加工过程只更换被加工零件的一次方向，节省夹具制造成本。
如图8所示，通过对镍基高温合金材料的切削试验，通过控制铣削过程的切削速度，来改变切削加工过程的切削速度，进一步改变加工区域的切削温度。通过对实验数据的插值拟合，得到了如图8所示的镍基高温合金置信度区间为95％的2阶高斯插值多项式拟合曲线，该曲线的表达式为：
Figure BDA0002627884030000081
根据图8中曲线在温度为812℃时，切削力开始出现下降，对应到切削速度上，当切削速度为530m/min时，出现温度软化效应，导致切削力下降。因此可以得出结论：当平均切削温度为800℃时，对应最低的切削速度为530m/min时，在切削高温合金时发生了材料软化切削力下降的效应。
如图9所示，考虑到未发生材料软化效应下的切削力在切削速度发生变化时切削力变化并不大，可以求得此时的平均切削力，用平均切削力和发生了材料软化效应下的切削力做差再除以平均切削力的数值，可以得到切削力导致的材料软化率图像。可以得出，随着切削区域温度的逐渐上升，首先出现一定的材料的加工硬化，使得切削力增大，在温度达到800℃时，材料软化率开始出由负变正，同时材料软化率逐渐变增加。在800℃后，材料的切削力也逐渐降低。在高速切削镍基高温合金的过程中，当切削速度达到一定的定值时，产生的切削热足够大时，可以使镍基高温合金产生切削软化效应，从而达到轻松去除大量镍基高温合金材料的目的。
如图10和图11所示，为闭式叶轮粗加工过程的示意图，粗加工的工艺步骤主要分为正向加工和侧向加工两大部分，加工图像反映了在加工过程中的刀具位置与姿态。图10表示出正向加工出叶轮的叶片，陶瓷铣刀8从叶轮工件5上表面向下加工出叶片V字形的表面特征，形成叶轮的叶片。图11表示出侧向加工出叶轮的流道，陶瓷铣刀8从叶轮工件5的侧面加工出主叶片和分流叶片的流道，形成粗加工的闭式叶轮。
实施例表明，采用上述的加工方法可以有效地减少镍基高温合金类零件材料的加工时间，有效的提升加工效率。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，采用陶瓷铣刀(8)在去除氧化皮的毛坯料的上表面进行干式切削，加工出横截面呈V字形的环形槽；
步骤2，采用陶瓷铣刀(8)从毛坯料的侧边向环形槽进行干式切削，对叶轮的叶片流道进行开粗处理，形成主叶片(1)与分流叶片(3)处的流道(2)，得到粗加工后的闭式叶轮工件(5)；
所述干式切削中铣刀的切削速度不小于530m/min。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，所述陶瓷铣刀(8)整体采用SiAlON材质，铣刀直径为12mm～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，步骤1中，加工环形槽时将毛坯料上表面朝上进行正向装夹；步骤2中，对闭式叶轮的侧向叶片流道进行开粗处理时将环形槽的开口朝下进行反向装夹。
4.根据权利要求3所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，所述正向装夹和反向装夹过程中使用加工夹具(4)，所述加工夹具(4)呈圆台状，圆台下底面延伸设置形成圆柱，圆台上底面设置加工定位键；所述定位键呈圆柱状，圆柱定位键周向相对设置有一长一短的防错凸块。
5.根据权利要求4所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，步骤1中，在进行正向装夹过程中，叶轮工件(5)的上表面朝上，叶轮工件(5)下表面的定位键槽与加工夹具(4)的定位键插接配合，叶轮工件(5)的上表面设置有压板(6)，螺栓(7)穿过压板(6)与加工夹具(4)连接，压板(6)和加工夹具(4)将叶轮工件(5)夹紧后，陶瓷铣刀(8)从叶轮工件(5)的上表面进行加工环形槽。
6.根据权利要求4所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，步骤2中，在进行反向装夹过程中，叶轮工件(5)的环形槽的开口朝下，叶轮工件(5)上表面的定位键槽与加工夹具(4)的定位键插接配合，叶轮工件(5)的下表面设置有压板(6)，螺栓(7)穿过压板(6)与加工夹具(4)连接，压板(6)和加工夹具(4)将叶轮工件(5)夹紧后，陶瓷铣刀(8)从侧面进行开粗处理加工叶片流道，得到粗加工后的闭式叶轮工件(5)。
7.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，所述切削速度是通过对镍基高温合金材料进行切削试验获得，具体为对切削试验中切削力和温度的实验数据的进行插值拟合，得到二阶高斯插值多项式拟合曲线，通过拟合曲线拐点的切削力对应得到最低切削速度值。
8.根据权利要求7所述的一种镍基高温合金闭式叶轮粗加工方法，其特征在于，拟合曲线的表达式为：
Figure FDA0002627884020000021
其中，t为切削温度。
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