CN112091539A - 涡轮盘榫齿复合加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮盘榫齿复合加工工艺，其加工步骤为：线切割工序：在涡轮盘坯件上沿榫齿的齿顶基准线进行切割，形成预留有精修尺寸的榫齿槽；拉削工序：在预留有精修尺寸的所述榫槽进行拉削，直到得到预定尺寸的榫齿槽；在精拉削之后，对涡轮盘榫齿的外轮廓进行倒角处理。本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺加工精度高，采用的拉刀数量大大减少，加工成本降低，加工效率提高，保证了涡轮盘榫齿表面加工的质量和效率。

Description

涡轮盘榫齿复合加工工艺
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种涡轮盘榫齿复合加工工艺。
背景技术
涡轮盘作为发动机的核心部件，在高温高压工作中，其叶片与转子是通过榫槽与榫齿配合连接，为了保证涡轮盘的工作可靠性，要求榫槽与榫齿有极高的精度与可靠的机械性能。
现有的涡轮盘榫齿加工主要采用拉削和铣削两种工艺，其中拉削成型的方法是采用若干把拉刀逐步加工，使榫齿榫槽逐渐成型，最后通过精拉刀工艺来确定最终的零件尺寸。但是采用该方法进行加工时，工件表面硬化现象显著，刀具磨损严重、加工表面质量较差，特别是对于弥散型高温合金，每次拉削后会进行相应的时效过程，这也无形中增加了加工周期，提高了生产成本。
另外采用铣削工艺加工涡轮盘榫齿虽然在精度上能得到保证，但加工效率会大大的降低，并且采用铣削方式加工时还需要专门的铣刀，这使得加工成本大大提升。
因此，如何设计一种加工精度高、效率高的涡轮盘榫齿复合加工工艺是本发明人潜心研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮盘榫齿复合加工工艺，其加工精度高，而采用的拉刀数量大大减少，使加工成本得到降低，加工效率得到提高，保证了涡轮盘榫齿表面加工的质量和效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种涡轮盘榫齿复合加工工艺，其包括如下步骤：
(1)线切割：在涡轮盘坯件上沿榫齿的齿顶基准线进行切割，形成预留有精修尺寸的榫齿槽；
(2)拉削：在预留有精修尺寸的所述榫槽进行拉削，直到得到预定尺寸的榫齿槽。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，其中所述步骤(1)中线切割形成预留有0.5-4mm厚精修尺寸的所述榫齿槽。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，其中所述步骤(1)中的线切割采用数控线切割设备。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，其中步骤(2)中的拉削采用粗拉削与至少一次精拉削组合或采用至少一次精拉削。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，其中所述步骤(2)中精拉削的拉刀进刀量为0.1-1mm。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，其中还包括：
(3)倒角：在所述步骤(2)精拉削之后，对涡轮盘榫齿的外轮廓进行倒角处理。
采用上述方案后，本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺与现有的加工工艺相比，本发明通过先使用线切割工序进行榫齿轮廓的粗加工，避免了采用纯拉削工艺在粗拉削过程时对刀具的磨损，而在线切割工序后采用步骤很少的精拉削或一次粗拉削与至少一次精拉削组合工序，而且其精拉削进刀量小，拉削时间短，就可以完成榫齿的拉削环节，其在加工过程中采用的拉刀数量大大减少，成本大大降低，而且提高了涡轮盘榫齿的加工效率，并保证了加工后工件表面的质量更好，即加工精度高，使加工的质量和效率都得到了保证，而且通过减少粗拉削环节，避免了工件加工变形以及硬化的缺陷，使得硬度与基体较为接近，所产生的变形量也达不到加工硬化的要求，同时也减少了拉刀的磨损。
附图说明
图1为本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺实施例制得的涡轮盘榫齿结构示意图；
图2a、图2b分别为采用现有纯拉削工艺制得的涡轮盘榫齿的硬度变化图和工艺压痕图；
图3a、图3b分别为采用本发明复合加工工艺制得的涡轮盘榫齿的硬度变化图和工艺压痕图；
图4为图1中的涡轮盘榫齿的复合加工五个区域的硬度对比图；
图5a为现有纯拉削工艺的拉削工件区域形貌图；
图5b为现有纯拉削工艺的拉削工件产生变形区域形貌图；
图6a为本发明复合加工工艺的加工区域的形貌图；
图6b为本发明复合加工工艺的产生变形区域的形貌图；
图7a为现有纯拉削工艺的拉削工件线扫描组织区域形貌图；
图7b为现有纯拉削工艺的拉削工件线扫描元素分布形貌图；
图8a为本发明复合加工工艺的复合加工工件线扫描组织区域形貌图；
图8b为本发明复合加工工艺的复合加工工件线扫描元素分布形貌图；
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
本发明涡轮盘榫齿复合加工工艺，包括如下步骤：
(1)线切割工序：在涡轮盘坯件上沿榫齿的齿顶基准线进行切割，形成预留有精修尺寸的榫齿槽，参考图1所示，在涡轮盘坯件的左、右侧分别切割为1、2、3、4、5、6区域，并切割形成预留有0.5-4mm厚精修尺寸的榫齿槽，本实施例切割形成预留有2mm厚精修尺寸的榫齿槽，本实施例线切割采用数控线切割设备，通过输入预加工尺寸(预留有2-4mm厚精修尺寸)对涡轮盘坯件进行线切割，得到切割后的涡轮盘半加工件。
(2)拉削工序：在述步骤(1)切割工序之后，将预留有2mm精修尺寸的榫齿槽通过拉刀进行拉削，直到得到预定尺寸的榫齿槽，本实施例先采用第一把拉刀对预留有精修尺寸的榫齿槽进行粗拉削，拉刀进刀量为1.8mm，拉削后为留有0.2mm精修尺寸榫齿槽，再通过第二把拉刀进行精拉削，精拉削的拉刀进刀量为0.1-0.3mm，本实施例精拉削的拉刀进刀量采用0.2mm，拉削后得到预定尺寸的榫齿槽。
该拉削工序也可以先采用第一把拉刀对本实施例先采用第一把拉刀对预留有精修尺寸的榫齿槽进行粗拉削，拉刀进刀量为1-1.8mm，拉削后为留有0.2-1mm精修尺寸榫齿槽，再通过多把拉刀进行多次精拉削，精拉削的拉刀进刀量为0.1-0.3mm，直到拉削后得到预定尺寸的榫齿槽。
(3)倒角：在上述步骤(2)的精拉削之后，对涡轮盘榫齿的外轮廓进行倒角处理，此步骤根据产品需要进行处理。
本实施例也可以在步骤(1)线切割工序时，切割形成预留有0.5mm厚精修尺寸的榫齿槽，而在步骤(2)直接采用精拉削工序，精拉削的拉刀进刀量采用0.5mm，这样一步到位采用精拉削将涡轮盘榫齿加工到位。
将本实施例的涡轮盘榫齿加工表面质量与采用现有纯拉削工艺加工的相同形状及尺寸的涡轮盘榫齿表面质量进行对比如下，图1中在区域3上的六个黑点代表衍射点位置(检测点)：
(1)榫齿表面残余应力的对比：
榫齿表面残余应力检测位置的设置：
表1纯拉削工艺表面残余应力值
Figure BDA0002654381020000031
表2复合加工工艺表面残余应力值
Figure BDA0002654381020000041
上述表1和表2为纯拉削加工与复合加工工艺材料表面残余应力检测值，如L-2虽然残余压应力仅为62.96MPa，但是相应的误差为±4437.78MPa。这反映了材料在进行表面加工的过程中，高变形量引起表面晶格的巨大畸变，这些畸变作用在X射线应力衍射仪上，对衍射过程产生了影响。同时检测过程中出现衍射最强峰并不一致、相应的强度和半高宽变化等现象。这就使得应力衍射仪的结果不具备准确性。但是依然可以看出，复合加工工艺仍引进了压应力，对材料的疲劳性能有着积极的影响。
(2)榫齿表面硬度的对比：
根据图1所设置的检测点，对拉削加工与复合加工工艺所加工的榫齿硬度进行检测，检测各个试样的沿表面各点的硬度值，观察硬度变化趋势。采用显微维氏硬度计，加载压力为10GF，保载时间为15S。
如图2a、图2b所示：在10～25μm处，硬度低于基体硬度；在25μm之后材料硬度趋于稳定，与基体硬度相差不大，表面没有明显的加工硬化现象。
由于纯拉削加工工艺要经过粗拉(加工材料大致轮廓)和精拉(保障材料精度尺寸)两个过程，粗拉带来了有极大的变形量、较大的加工温度和残余应力，并且在拉削加工过程中，工件的表面在切削力的作用下发生了塑性变形，提高了材料的硬度，出现表面硬化(粗拉的加工硬度层较深，精拉过后仍有80μm)。
而如图3a、图3b所示，用本发明复合加工工艺仅采用一次粗拉方式或不采用粗拉方式，在电火花切割热影响区外仅进行精拉来确保所需形状，由于精拉拉刀量很小、材料的变形量较小、产生塑性变形层较小，加工硬化效应不明显；再则又由于精拉持续时间短，材料加工过程中热量尚未完全导出，形成了回复效应反而降低了材料硬度。同时精拉时间不长导致回复区区域不大，对材料影响不强，所以材料加工表面硬度最低，之后随深度增加而硬度升高。
如图4为榫涡轮盘榫齿的各齿面1、3、4、5、6区域硬度图，可以看出：
A、复合工艺各部件与基体硬度相差不多，没有明显的加工硬化现象；
B、由于复合工艺回复区的影响，在0～25μm处材料的硬度较基体低；
C、齿底硬度最低且波动不大，可能是由于齿底在加工时产生的复杂热力场相关；
D、齿尖等其余部位波动较小，在考虑误差的因素下，可认为新工艺对材料的各个区域影响相同，不会影响使用。
(3)榫齿加工区域组织形貌对比：
如图5a、图5b所示为现有纯拉削工艺的拉削工件区域形貌图、产生变形区域形貌图，工件表面完整，无裂纹、积屑瘤等加工缺陷；部分加工边缘出现大的变形晶粒，变形方向与工件加工方向一致，拉削所产生明显的变形层厚度约有3～4μm。由表面至心部，工件没有出现显著的形貌变化，无明显热影响区出现。
图6a、图6b为本发明复合加工工艺的加工区域的形貌图、产生变形区域形貌图，材料在预先的电火花加工中会产生部分缺陷，如较粗糙的加工面、再铸层等，理论上可以通过机械去除的方法改进加工后的组织。表明再铸层厚度约为10μm，为保证工件可靠性，选用沿加工深度2000μm处进行拉刀加工，并表征分析加工截面。复合加工线扫描，与拉刀加工相似，材料的元素并没有发生明显的富集，无明显相变。加工区域表层有较薄的变形层，约1～3μm，变形层并没有出现元素变化。
图7a、图7b为现有纯拉削工艺的拉削工件线扫描组织区域形貌图、线扫描元素分布形貌图，沿工件加工深度，材料的元素并没有发生明显的偏析，已加工区域与工件内部区域从成分上并没有明显不同，没有明显组织变化和热影响区出现，材料的性能改变与成分变化无关，值得注意的是材料在距表面3.5μm处出现了明显的变形区，该处变形并没有引起元素的偏析。
图8a、图8b为本发明复合加工工艺的复合加工工件线扫描组织区域形貌图、线扫描元素分布形貌图，与现有纯拉削加工工艺相似，材料的元素并没有发生明显的富集，无明显相变，加工区域表层有较薄的变形层，约1～3μm。变形层并没有出现元素变化。
与现有的加工工艺相比，本发明通过先使用线切割工序进行榫齿轮廓的粗加工，避免了采用纯拉削工艺在粗拉削过程时对刀具的磨损，而在线切割工序后采用步骤很少的精拉削或一次粗拉削与至少一次精拉削组合工序，而且其精拉削进刀量小，拉削时间短，就可以完成榫齿的拉削环节，其在加工过程中采用的拉刀数量大大减少，成本大大降低，而且提高了涡轮盘榫齿的加工效率，并保证了加工后工件表面的质量更好，即加工精度高，使加工的质量和效率都得到了保证，而且通过减少粗拉削环节，避免了工件加工变形以及硬化的缺陷，使得硬度与基体较为接近，所产生的变形量也达不到加工硬化的要求，同时也减少了拉刀的磨损。
以上对本发明的实施例进行的详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实例，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)线切割：在涡轮盘坯件上沿榫齿的齿顶基准线进行切割，形成预留有精修尺寸的榫齿槽；
(2)拉削：在预留有精修尺寸的所述榫槽进行拉削，直到得到预定尺寸的榫齿槽。
2.根据权利要求1所述的涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，所述步骤(1)中线切割形成预留有0.5-4mm厚精修尺寸的所述榫齿槽。
3.根据权利要求1所述的涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，所述步骤(1)中的线切割采用数控线切割设备。
4.根据权利要求1所述的涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，步骤(2)中的拉削采用粗拉削与至少一次精拉削组合或采用至少一次精拉削。
5.根据权利要求4所述的涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，所述步骤(2)中精拉削的拉刀进刀量为0.1-1mm。
6.根据权利要求1所述的涡轮盘榫齿复合加工工艺，其特征在于，还包括：
(3)倒角：在所述步骤(2)精拉削之后，对涡轮盘榫齿的外轮廓进行倒角处理。
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