CN112338814B - 涡轮盘的复合喷丸加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮盘的复合喷丸加工方法，包括以下步骤：对涡轮盘的轴部位和幅板部位进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘的轴部位和幅板部位产生强化层；对涡轮盘的榫槽部位进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘的榫槽部位的产生强化层；对铸钢喷丸强化后的涡轮盘的榫槽部位进行陶瓷喷丸处理，以降低涡轮盘的榫槽部位的表面粗糙度，改善榫槽部位的表面质量。本发明的涡轮盘的复合喷丸加工方法，先通过对榫槽部位进行铸钢喷丸处理，使涡轮盘的榫槽部位产生较深的强化层，但由于榫槽部位经铸钢喷丸处理后表面粗糙度增大，因此通过再对榫槽部位进行低强度的陶瓷喷丸处理，使榫槽部位的表面粗糙度降低，进一步改善强化表面质量。

Description

涡轮盘的复合喷丸加工方法
技术领域
本发明涉及涡轮盘加工技术领域，特别地，涉及一种涡轮盘的复合喷丸加工方法。
背景技术
涡轮盘机加工完成后，需对涡轮盘进行喷丸强化处理，一方面改善涡轮盘的机加工表面的性能，提高表面完整性；另一方面，可在涡轮盘的机加工表面产生压应力，有效地抑制表面缺陷的延伸，如抑制裂纹的产生或扩展，从而提高涡轮盘的抗疲劳性能，以及提高涡轮盘的可靠性及使用寿命，但现有的涡轮盘采用单一的铸钢喷丸处理后，虽然提高了抗疲劳强化效果，但却提高了表面粗糙度，增加了表面应力集中系数，从而降低了涡轮盘的抗疲劳性能。
发明内容
本发明提供了一种涡轮盘的复合喷丸加工方法，以解决现有的涡轮盘采用单一的铸钢喷丸处理后，虽然提高了抗疲劳强化效果，但却提高了表面粗糙度，增加了表面应力集中系数，从而降低了涡轮盘的抗疲劳性能的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮盘的复合喷丸加工方法，包括以下步骤：对涡轮盘的轴部位和幅板部位进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘的轴部位和幅板部位产生强化层；对涡轮盘的榫槽部位进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘的榫槽部位的产生强化层；对铸钢喷丸强化后的涡轮盘的榫槽部位进行陶瓷喷丸处理，以降低涡轮盘的榫槽部位的表面粗糙度，改善榫槽部位的表面质量。
进一步地，将涡轮盘安装在转轴上，采用数控喷丸机进行喷丸，并通过转轴带动涡轮盘沿周向旋转，旋转的速度为10r/min-12r/min。
进一步地，对涡轮盘的轴部位和幅板部位进行铸钢喷丸，包括以下步骤：采用直径为(10±0.5)mm的喷枪，在距离涡轮盘的轴部位100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘的轴部位喷射铸钢喷丸，并将喷枪沿涡轮盘的轴向移动，且喷枪沿涡轮盘的轴向移动的速度为50mm/min；采用直径为(10±0.5)mm的喷枪，在距离涡轮盘的幅板部位100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘的幅板部位喷射铸钢喷丸，并将喷枪沿涡轮盘的径向移动，且喷枪沿涡轮盘的径向移动的速度为50mm/min。
进一步地，对涡轮盘的轴部位和幅板部位进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.35MPa-0.4MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。
进一步地，对涡轮盘的榫槽部位进行铸钢喷丸处理，包括以下步骤：
采用直径为10mm±0.5mm的喷枪，在距离涡轮盘的幅板部位100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘的榫槽部位喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒。
进一步地，对涡轮盘的榫槽部位进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.45MPa-0.5MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。
进一步地，对涡轮盘的榫槽部位进行陶瓷喷丸处理，包括以下步骤：
采用直径为10mm±0.5mm的喷枪，在距离涡轮盘的幅板部位100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘的榫槽部位喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒。
进一步地，对涡轮盘的榫槽部位进行陶瓷喷丸的喷丸强度为0.07A-0.11A，覆盖率为200％-400％，喷丸压力为0.15MPa-0.2MPa，丸粒流量为3±0.3Kg/min。
进一步地，铸钢喷丸为ASH230铸钢丸，陶瓷喷丸为AZB150陶瓷丸。
进一步地，在对涡轮盘进行复合喷丸处理前以及完成复合喷丸处理后，对涡轮盘的表面粗糙度、尺寸、表面残留余应力以及强化层的深度进行检测；
涡轮盘复合喷丸处理前后，涡轮盘的榫槽部位的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.5，轴部位和幅板部位的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.8；榫槽部位的跨棒尺寸的变化量≤0.008mm，榫槽部位的轮廓变化量≤0.004mm，榫槽部位的表面残余应力由-163MPa～-605MPa变为-998MPa～-1166MPa，轴部位和幅板部位的表面残留余应力由+20MPa～-425MPa变为-906MPa～-1098MPa，榫槽部位喷丸产生的强化层的深度为0.16mm～0.20mm，轴部位和幅板部位喷丸产生的强化层的深度为0.18mm～0.20mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明的涡轮盘的复合喷丸加工方法，根据涡轮盘的当量应力分布的特点，对涡轮盘的轴部位和幅板部位进行铸钢喷丸，使涡轮盘的轴部位和幅板部位产生强化层，从而提高涡轮盘的轴部位和幅板部位的抗疲劳性能，而涡轮盘的榫槽部位的当量应力分布最大，先通过对榫槽部位进行铸钢喷丸处理，使涡轮盘的榫槽部位产生较深的强化层，但由于榫槽部位经铸钢喷丸处理后表面粗糙度增大，因此通过再对榫槽部位进行陶瓷喷丸处理，使榫槽部位的表面粗糙度降低，从而避免因表面粗糙度增大而导致榫槽部位的抗疲劳性能降低的问题，使得经复合喷丸处理后的涡轮盘的榫槽部位的疲劳寿命符合要求。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的涡轮盘的复合喷丸加工方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的对涡轮盘的第一端的轴部位和幅板部位进行喷丸处理的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的对涡轮盘的第二端的轴部位和幅板部位进行喷丸处理的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的对涡轮盘的榫槽部位的槽底面和槽口面进行喷丸处理的结构示意图；
图5是本发明优选实施例的对涡轮盘的第一槽侧面和第二槽侧面进行喷丸处理的结构示意图。
图例说明：
1、涡轮盘；11、幅板部位；12、轴部位；13、榫槽部位；2、喷枪。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的涡轮盘的复合喷丸加工方法的流程示意图；图2是本发明优选实施例的对涡轮盘的第一端的轴部位和幅板部位进行喷丸处理的结构示意图；图3是本发明优选实施例的对涡轮盘的第二端的轴部位和幅板部位进行喷丸处理的结构示意图；图4是本发明优选实施例的对涡轮盘的榫槽部位的槽底面和槽口面进行喷丸处理的结构示意图；图5是本发明优选实施例的对涡轮盘的第一槽侧面和第二槽侧面进行喷丸处理的结构示意图。
如图1所示，本实施例的涡轮盘1的复合喷丸加工方法，包括以下步骤：对涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11进行铸钢喷丸，以使涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11产生强化层；对涡轮盘1的榫槽部位13进行铸钢喷丸，以使涡轮盘1的榫槽部位13的产生强化层；对铸钢喷丸强化后的涡轮盘1的榫槽部位13进行陶瓷喷丸，以降低涡轮盘1的榫槽部位13的表面粗糙度，改善榫槽部位13的表面质量。本发明的涡轮盘1的复合喷丸加工方法，根据涡轮盘1的当量应力分布的特点，对涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11进行铸钢喷丸，使涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11产生强化层，从而提高涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11的抗疲劳性能，而涡轮盘1的榫槽部位13的当量应力分布最大，先通过对榫槽部位13进行铸钢喷丸处理，使涡轮盘1的榫槽部位13产生较深的强化层，但由于榫槽部位13经铸钢喷丸处理后表面粗糙度增大，因此通过再对榫槽部位13进行陶瓷喷丸处理，使榫槽部位13的表面粗糙度降低，从而避免因表面粗糙度增大而导致榫槽部位13的疲劳性能降低的问题，使得经复合喷丸处理后的涡轮盘1的榫槽部位13的疲劳寿命符合要求。在本实施例中，铸钢喷丸为ASH230铸钢丸，陶瓷喷丸为AZB150陶瓷丸。
如图2-5所示，将涡轮盘1安装在转轴上，采用数控喷丸机进行喷丸，并通过转轴带动涡轮盘1周向旋转。通过将涡轮盘1沿周向旋转，使数控喷丸机将铸钢喷丸沿周向均匀地喷射至涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11，以及将铸钢喷丸和陶瓷喷丸沿周向均匀地喷射至涡轮盘1的榫槽部位13。在本实施例中，涡轮盘1旋转的速度为10r/min-12r/min。避免涡轮盘1转动的速度过快而导致涡轮盘1与喷丸接触的时间过短，也避免涡轮盘1转动的速度过慢而导致涡轮盘1受喷丸冲击的时间过长。
如图2-3所示，对涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11进行铸钢喷丸，包括以下步骤：采用直径为(10±0.5)mm的喷枪2，在距离涡轮盘1的轴部位12100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘1的轴部位12喷射铸钢喷丸，并将喷枪2沿涡轮盘1的轴向移动，且喷枪2沿涡轮盘1的轴向移动的速度为50mm/min；采用直径为(10±0.5)mm的喷枪2，在距离涡轮盘1的幅板部位11的100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘1的幅板部位11喷射铸钢喷丸，并将喷枪2沿涡轮盘1的径向移动，且喷枪2沿涡轮盘1的径向移动的速度为50mm/min。对涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.35MPa-0.4MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。在本实施例中，先对涡轮盘1第一端的幅板部位11和轴部位12进行铸钢喷丸处理，采用喷枪2对涡轮盘1第一端的幅板部位11喷射铸钢喷丸时，喷枪2的喷射方向与涡轮盘1的径向平面之间的夹角为70度，并将喷枪2沿涡轮盘1的径向移动，移动速度为50mm/min；采用喷枪2对涡轮盘1第一端的轴部位12喷射铸钢喷丸时，喷枪2的喷射方向与涡轮盘1的轴线之间的夹角为90度，并将喷枪2沿涡轮盘1的轴向移动，移动速度为50mm/min。再将涡轮盘1上下翻转，对涡轮盘1的第二端的幅板部位11和轴部位12进行铸钢喷丸处理，采用喷枪2对涡轮盘1第二端的幅板部位11喷射铸钢喷丸时，喷枪2的喷射方向与涡轮盘1的径向平面之间的夹角为70度，并将喷枪2沿涡轮盘1的径向移动，移动速度为50mm/min；采用喷枪2对涡轮盘1第二端的轴部位12喷射铸钢喷丸时，喷枪2的喷射方向与涡轮盘1的轴线之间的夹角为90度，并将喷枪2沿涡轮盘1的轴向移动，移动速度为50mm/min。
由于涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11的强度和抗疲劳性能高于涡轮盘1的榫槽部位13，因此涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11对于表面强化抗疲劳效果的需求低于涡轮盘1的榫槽部位13。涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11在经过铸钢喷丸处理后，涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11产生强化层，从而提高了抗疲劳性能，但同时也提高了轴部位12和幅板部位11的表面粗糙度，会造成抗疲劳性能一定程度的降低，但涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11经过铸钢喷丸处理后的抗疲劳性能达到了要求，因此不再对涡轮盘1的轴部位12和幅板部位11进行陶瓷喷丸处理。
如图4-5所示，对涡轮盘1的榫槽部位13进行铸钢喷丸处理，包括以下步骤：采用直径为10mm±0.5mm的喷枪2，在距离涡轮盘1的幅板部位11的100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘1的榫槽部位13喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒。对涡轮盘1的榫槽部位13进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.45MPa-0.5MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。对涡轮盘1的榫槽部位13进行陶瓷喷丸处理，包括以下步骤：采用直径为10mm±0.5mm的喷枪2，在距离涡轮盘1的幅板部位11的100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘1的榫槽部位13喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒。对涡轮盘1的榫槽部位13进行陶瓷喷丸的喷丸强度为0.07A-0.11A，覆盖率为200％-400％，喷丸压力为0.15MPa-0.2MPa，丸粒流量为3±0.3Kg/min。本实施例中，榫槽部位13包括槽底面、连接于槽底面连接的第一槽侧面、与第一槽侧面连接的第二槽侧面以及与第二槽侧面连接的槽口面。对涡轮盘1的榫槽部位13的槽底面进行铸钢喷丸处理或陶瓷喷丸处理时，喷枪2朝槽底面喷射且喷射方向与涡轮盘1的径向平面之间的夹角为60度。对涡轮盘1的榫槽部位13的槽口面进行铸钢喷丸处理或陶瓷喷丸处理时，喷枪2朝槽口面喷射且喷射方向与涡轮盘1的径向平面之间的夹角为60度。对涡轮盘1的榫槽部位13的第一槽侧面进行铸钢喷丸处理或陶瓷喷丸处理时，喷枪2朝第一槽侧面喷射且喷射方向与涡轮盘1的轴向平面之间的夹角为45度。对涡轮盘1的榫槽部位13的第二槽侧面进行铸钢喷丸处理或陶瓷喷丸处理时，喷枪2朝第二槽侧面喷射且喷射方向与涡轮盘1的径向平面之间的夹角为45度。
涡轮盘1进行喷丸处理前，对涡轮盘1的强度及寿命进行仿真分析，榫槽部位13的工作温度最高且当量应力分布最大，因此榫槽部位13对表面强化抗疲劳效果的需求较高。通过先对涡轮盘1的榫槽部位13在经过大尺寸且大强度的铸钢喷丸处理后，榫槽部位13产生强化层，从而提高了抗疲劳性能，但同时也产生弱化效果，即提高了榫槽部位13的表面粗糙度，会造成抗疲劳性能一定程度的降低，使得涡轮盘1的榫槽部位13经过铸钢喷丸处理后的抗疲劳性能未达到要求，因此通过对涡轮盘1的榫槽部位13进行陶瓷喷丸处理，陶瓷喷丸的尺寸小、硬度高，喷丸强度低，涡轮盘1的榫槽部位13在陶瓷喷丸的反复撞击作用下，表面粗糙度降低，从而充分地发挥喷丸强化的效果，抑制喷丸弱化效果，有效地提高榫槽部位13的高温抗疲劳性能。本实施例中，涡轮盘1的材料为GH95模具钢。
在对涡轮盘1进行复合喷丸处理前以及完成复合喷丸处理后，对涡轮盘1的表面粗糙度、尺寸、表面残留余应力以及强化层的深度进行检测；涡轮盘1复合喷丸处理前后，涡轮盘1的榫槽部位13的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.5，轴部位12和幅板部位11的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.8；榫槽部位13的跨棒尺寸的变化量≤0.008mm，榫槽部位13的轮廓变化量≤0.004mm，榫槽部位13的表面残余应力由-163MPa～-605MPa变为-998MPa～-1166MPa，轴部位12和幅板部位11的表面残留余应力由+20MPa～-425MPa变为-906MPa～-1098MPa，榫槽部位13喷丸产生的强化层的深度为0.16mm～0.20mm，轴部位12和幅板部位11喷丸产生的强化层的深度为0.18mm～0.20mm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种涡轮盘的复合喷丸加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
涡轮盘(1)进行喷丸处理前，对涡轮盘(1)的强度及寿命进行仿真分析，榫槽部位(13)的工作温度最高且当量应力分布最大，因此榫槽部位(13)对表面强化抗疲劳效果的需求较高；
对涡轮盘(1)的轴部位(12)和幅板部位(11)进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘(1)的轴部位(12)和幅板部位(11)产生强化层；
对涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行铸钢喷丸处理，以使涡轮盘(1)的榫槽部位(13)的产生强化层；
对铸钢喷丸强化后的涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行陶瓷喷丸处理，以降低涡轮盘(1)的榫槽部位(13)的表面粗糙度，改善榫槽部位(13)的表面质量；
将涡轮盘(1)安装在转轴上，采用数控喷丸机进行喷丸，并通过转轴带动涡轮盘(1)沿周向旋转，旋转的速度为10r/min-12r/min；
对涡轮盘(1)的轴部位(12)和幅板部位(11)进行铸钢喷丸，包括以下步骤：采用直径为(10±0.5)mm的喷枪(2)，在距离涡轮盘(1)的轴部位(12)100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘(1)的轴部位(12)喷射铸钢喷丸，并将喷枪(2)沿涡轮盘(1)的轴向移动，且喷枪(2)沿涡轮盘(1)的轴向移动的速度为50mm/min；采用直径为(10±0.5)mm的喷枪(2)，在距离涡轮盘(1)的幅板部位(11)100mm-150mm的位置处，以60度-90度的入射角度向涡轮盘(1)的幅板部位(11)喷射铸钢喷丸，并将喷枪(2)沿涡轮盘(1)的径向移动，且喷枪(2)沿涡轮盘(1)的径向移动的速度为50mm/min；
对涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行铸钢喷丸处理，包括以下步骤：采用直径为10mm±0.5mm的喷枪(2)，在距离涡轮盘(1)的幅板部位(11)100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘(1)的榫槽部位(13)喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒；
对涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行陶瓷喷丸处理，包括以下步骤：采用直径为10mm±0.5mm的喷枪(2)，在距离涡轮盘(1)的幅板部位(11)100mm-150mm的位置处，以45度-60度的入射角度向涡轮盘(1)的榫槽部位(13)喷射铸钢喷丸，喷射时间为24秒；
在对涡轮盘(1)进行复合喷丸处理前以及完成复合喷丸处理后，对涡轮盘(1)的表面粗糙度、尺寸、表面残留余应力以及强化层的深度进行检测；
涡轮盘(1)复合喷丸处理前后，涡轮盘(1)的榫槽部位(13)的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.5，轴部位(12)和幅板部位(11)的表面粗糙度Ra的增大量≤Ra0.8；榫槽部位(13)的跨棒尺寸的变化量≤0.008mm，榫槽部位(13)的轮廓变化量≤0.004mm，榫槽部位(13)的表面残余应力由-163MPa～-605MPa变为-998MPa～-1166MPa，轴部位(12)和幅板部位(11)的表面残留余应力由+20MPa～-425MPa变为-906MPa～-1098MPa，榫槽部位(13)喷丸产生的强化层的深度为0.16mm～0.20mm，轴部位(12)和幅板部位(11)喷丸产生的强化层的深度为0.18mm～0.20mm。
2.根据权利要求1所述的涡轮盘的复合喷丸加工方法，其特征在于，
对涡轮盘(1)的轴部位(12)和幅板部位(11)进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.35MPa-0.4MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。
3.根据权利要求1所述的涡轮盘的复合喷丸加工方法，其特征在于，
对涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行铸钢喷丸的喷丸强度为0.21A-0.25A，覆盖率为100％-200％，喷丸压力为0.45MPa-0.5MPa，丸粒流量为(8±0.5)Kg/min。
4.根据权利要求1所述的涡轮盘的复合喷丸加工方法，其特征在于，
对涡轮盘(1)的榫槽部位(13)进行陶瓷喷丸的喷丸强度为0.07A-0.11A，覆盖率为200％-400％，喷丸压力为0.15MPa-0.2MPa，丸粒流量为3±0.3Kg/min。
5.根据权利要求1所述的涡轮盘的复合喷丸加工方法，其特征在于，
铸钢喷丸为ASH230铸钢丸，陶瓷喷丸为AZB150陶瓷丸。
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