CN112404913B - 一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，调整整体叶盘叶片加工工艺路线，采用“粗精一次铣削成型→振动光饰→叶片激光强化→叶片喷丸→补振动光饰”的方法；其中，将叶片铣削成型改为一次装夹定位，加工出最终的叶型。本发明的优点：本发明所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，创新整体叶盘叶片铣削成型新型加工方案，显著提高叶片几何尺寸及表面状态成型质量；取消手工抛光，实现了产品的机械化加工制造；提高产品的加工效率50％；保证各叶片最终状态的一致性及稳定性，产品合格率达到90％。

Description

一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法。

背景技术

随着航空工业的迅速发展，对于高性能大推重比航空发动机的需求迫在眉睫，而整体叶盘结构作为先进航空发动机的关键零部件，其加工质量很大程度上影响发动机的性能。其中整体叶盘叶片加工作为该零件技术难点，一直以来制约着整体叶盘的加工质量。目前钛合金整体叶盘外廓尺寸一般在500mm～1000mm之间，其叶片数量多、尺寸长、刚性弱、弯扭大、叶型截面前后缘半径小，材料切削困难，加工中极易出现变形、让刀等问题。

目前，钛合金整体叶盘叶片加工工艺主要采用“粗铣→去应力热处理→减振填充→修基准→修基准孔→半精铣→二次减振填充→精铣→手工抛光→振动光饰→叶片激光强化→叶片喷丸”的方式，该工艺路线过于繁冗，且叶片成型阶段需要进行多次的装夹定位，增加定位误差，而且由于减振填充物的选择及配比等问题，也在一定程度上造成系统刚性的稳定性不足，导致精铣加工中让刀问题严重，极易出现叶片轮廓度超差及进排气边缘“削边”的情况；而手工抛修更多的是依赖操作者的技能和经验，不仅效率不高，而且零件质量稳定性与一致性难以保证；另外叶片喷丸加工后会使叶片表面粗糙度增大，如果不进行相应的光饰补加工，难以满足最终的表面粗糙度要求。这些工艺方法中的缺陷会使各叶片间尺寸与表面状态存在较大差异，造成转子在实际工作过程中的振动和离心力变大，缩短自身寿命周期的同时，也使发动机的总体性能大幅下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，特提供了一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法。

本发明提供了一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，调整整体叶盘叶片加工工艺路线，采用“粗精一次铣削成型→振动光饰→叶片激光强化→叶片喷丸→补振动光饰”的方法；其中，将叶片铣削成型改为一次装夹定位，加工出最终的叶型。

所述的叶片铣削成型按工步分为：

①粗铣叶片进排气边，进给速度控制在400～500mm/min，切深控制在1～1.2mm；

②粗开槽，进给速度控制在300～400mm/min，切深控制在1～1.2mm；

③半精铣叶片，进给速度控制在1000～1200mm/min，切深控制在0.3～0.5mm；

④粗铣流道，进给速度控制在500-600mm/min，切深控制在0.5～0.7mm；

⑤精铣叶片及流道，进给速度控制在6000-7000mm/min，切深控制在0.1～0.3mm，转速控制在8000～10000r/min；

小切深多刀路高速铣削加工，可以有效地避免残余应力的影响，将叶片进行两两一组分组加工，不需要进行填充，而是利用同组叶片互为支撑，来增加铣削系统刚性，并且采用“一对一”原则进行叶片最终精加工成型，即使用同一把整体硬质合金刀具完成同一个叶片的所有精加工刀路的加工，可以有效避免接刀痕的产生，提高叶片铣削成型表面质量。

采用振动光饰工艺保证叶片表面质量，提高叶片表面完整性，其参数设置涉及几个方面；采用圆柱磨料及专用磨液，振动频率控制在30～60Hz，磨液喷洒时间15～20s，磨液喷洒间隔时间300～360s，加工时间3～4小时。

所述的叶片激光强化和叶片喷丸，提高材料表面机械性能；增加补振动光饰工序，用来降低叶片喷丸后的叶片表面粗糙度，最终实现整体叶盘各叶片几何尺寸精确成型及表面质量良好的一致性及稳定性。

所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，具体步骤如下：

步骤1：通过车加工工序完成零件铣叶型之前的装夹定位面的加工，并且在叶片部分均匀留有1mm余量；

步骤2：在高速铣削五坐标加工中心上装夹零件，将待加工叶片进行两两分组，并采用对称加工的方式，通过“粗开槽+混合铣削”的思路，设置合理的余量及切削参数，完成所有叶片几何尺寸的精确成型。该方案核心思路是小切深多刀路高速铣削加工，因此要求机床能够提供较高转速，要求转速接近10000r/min。首先要求粗开槽工步能尽可能的快速去除余量，因此选择较大尺寸的硬质合金刀具，可以采用插铣或摆线铣的方式进行加工；其次在精加工工步的设计中，采用混合铣削方式，利用叶片根部未切削部分作为刚性支撑，顺序完成叶片从叶尖到叶根的精铣，而且需要使用同一把刀完成同一个叶片及流道的所有精加工工作，即“一对一”原则，因此精加工的刀具采用带一定锥度的整体硬质合金刀具。这样的切削方式不仅平稳高效，而且叶身上不会存在接刀痕，大大地提高了叶片铣削成型的表面质量，为叶片后续光饰及强化处理提供了良好的基础；

步骤3：在锅式振动光饰机中装夹零件，采用专用工装保证整体叶盘的盘体不受磨料影响，选用适合的磨料及加工参数，去除叶身上的切削痕迹，保证叶片表面粗糙度满足设计图纸要求，需要达到Ra0.4μm，光饰时间单面4小时；

步骤4：将零件固定在激光强化设备上，并使用专用保护胶带对非加工部位进行保护，对激光能量、光斑大小、光斑搭接率等参数进行设置，完成所有叶片的激光强化加工，特别注意应防止叶片强化表面出现烧蚀的现象；

步骤5：完成试片喷丸之后，在数控喷丸机上装夹零件，采用专用工装保护整体叶盘的盘体不会在加工中被喷到，选择玻璃丸或陶瓷丸作为加工丸料，设定加工参数，保证喷丸强度，完成所有叶片的喷丸加工，特别注意零件喷丸区的覆盖率≥100％；

步骤6：将完成叶片喷丸后的零件重新安装到锅式振动光饰机中，完成对零件叶片的补振动光饰加工，加工参数基本与振动光饰工序一致，但加工时间只需单面1小时。

本发明的优点：

本发明所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，创新整体叶盘叶片铣削成型新型加工方案，显著提高叶片几何尺寸及表面状态成型质量；取消手工抛光，实现了产品的机械化加工制造；提高产品的加工效率50％；保证各叶片最终状态的一致性及稳定性，产品合格率达到90％。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是叶片铣削成型后表面质量状态图；

图2是叶片表面质量最终状态图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，调整整体叶盘叶片加工工艺路线，采用“粗精一次铣削成型→振动光饰→叶片激光强化→叶片喷丸→补振动光饰”的方法；其中，将叶片铣削成型改为一次装夹定位，加工出最终的叶型。所述的叶片铣削成型按工步分为：

①粗铣叶片进排气边，进给速度控制在400～500mm/min，切深控制在1～1.2mm；

②粗开槽，进给速度控制在300～400mm/min，切深控制在1～1.2mm；

③半精铣叶片，进给速度控制在1000～1200mm/min，切深控制在0.3～0.5mm；

④粗铣流道，进给速度控制在500-600mm/min，切深控制在0.5～0.7mm；

⑤精铣叶片及流道，进给速度控制在6000-7000mm/min，切深控制在0.1～0.3mm，转速控制在8000～10000r/min；

小切深多刀路高速铣削加工，可以有效地避免残余应力的影响，将叶片进行两两一组分组加工，不需要进行填充，而是利用同组叶片互为支撑，来增加铣削系统刚性，并且采用“一对一”原则进行叶片最终精加工成型，即使用同一把整体硬质合金刀具完成同一个叶片的所有精加工刀路的加工，可以有效避免接刀痕的产生，提高叶片铣削成型表面质量。

采用振动光饰工艺保证叶片表面质量，提高叶片表面完整性，其参数设置涉及几个方面；采用圆柱磨料及专用磨液，振动频率控制在30～60Hz，磨液喷洒时间15～20s，磨液喷洒间隔时间300～360s，加工时间3～4小时。

所述的叶片激光强化和叶片喷丸，提高材料表面机械性能；增加补振动光饰工序，用来降低叶片喷丸后的叶片表面粗糙度，最终实现整体叶盘各叶片几何尺寸精确成型及表面质量良好的一致性及稳定性。

实施例2

所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，具体步骤如下：

步骤1：通过车加工工序完成零件铣叶型之前的装夹定位面的加工，并且在叶片部分均匀留有1mm余量；

步骤2：在高速铣削五坐标加工中心上装夹零件，将待加工叶片进行两两分组，并采用对称加工的方式，通过“粗开槽+混合铣削”的思路，设置合理的余量及切削参数，完成所有叶片几何尺寸的精确成型。该方案核心思路是小切深多刀路高速铣削加工，因此要求机床能够提供较高转速，要求转速接近10000r/min。首先要求粗开槽工步能尽可能的快速去除余量，因此选择较大尺寸的硬质合金刀具，可以采用插铣或摆线铣的方式进行加工；其次在精加工工步的设计中，采用混合铣削方式，利用叶片根部未切削部分作为刚性支撑，顺序完成叶片从叶尖到叶根的精铣，而且需要使用同一把刀完成同一个叶片及流道的所有精加工工作，即“一对一”原则，因此精加工的刀具采用带一定锥度的整体硬质合金刀具。这样的切削方式不仅平稳高效，而且叶身上不会存在接刀痕，大大地提高了叶片铣削成型的表面质量，为叶片后续光饰及强化处理提供了良好的基础；

步骤3：在锅式振动光饰机中装夹零件，采用专用工装保证整体叶盘的盘体不受磨料影响，选用适合的磨料及加工参数，去除叶身上的切削痕迹，保证叶片表面粗糙度满足设计图纸要求，需要达到Ra0.4μm，光饰时间单面4小时；

步骤4：将零件固定在激光强化设备上，并使用专用保护胶带对非加工部位进行保护，对激光能量、光斑大小、光斑搭接率等参数进行设置，完成所有叶片的激光强化加工，特别注意应防止叶片强化表面出现烧蚀的现象；

步骤5：完成试片喷丸之后，在数控喷丸机上装夹零件，采用专用工装保护整体叶盘的盘体不会在加工中被喷到，选择玻璃丸或陶瓷丸作为加工丸料，设定加工参数，保证喷丸强度，完成所有叶片的喷丸加工，特别注意零件喷丸区的覆盖率≥100％；

步骤6：将完成叶片喷丸后的零件重新安装到锅式振动光饰机中，完成对零件叶片的补振动光饰加工，加工参数基本与振动光饰工序一致，但加工时间只需单面1小时。

Claims (4)

1.一种钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，调整整体叶盘叶片加工工艺路线，采用“粗精一次铣削成型→振动光饰→叶片激光强化→叶片喷丸→补振动光饰”的方法；其中，将叶片铣削成型改为一次装夹定位，加工出最终的叶型；所述的叶片铣削成型按工步分为：

粗铣叶片进排气边，进给速度控制在400～500mm/min，切深控制在1～1.2mm；

粗开槽，进给速度控制在300～400mm/min，切深控制在1～1.2mm；

半精铣叶片，进给速度控制在1000～1200mm/min，切深控制在0.3～0.5mm；

粗铣流道，进给速度控制在500-600mm/min，切深控制在0.5～

0.7mm；

精铣叶片及流道，进给速度控制在6000-7000mm/min，切深控制在0.1～0.3mm，转速控制在8000～10000r/min；

小切深多刀路高速铣削加工，可以有效地避免残余应力的影响，将叶片进行两两一组分组加工，利用同组叶片互为支撑，来增加铣削系统刚性，并且采用“一对一”原则进行叶片最终精加工成型，即使用同一把整体硬质合金刀具完成同一个叶片的所有精加工刀路的加工，可以有效避免接刀痕的产生，提高叶片铣削成型表面质量。

2.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：采用振动光饰工艺保证叶片表面质量，提高叶片表面完整性，其参数设置涉及几个方面；采用圆柱磨料及专用磨液，振动频率控制在30～60Hz，磨液喷洒时间15～20s，磨液喷洒间隔时间300～360s，加工时间3～4小时。

3.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的叶片激光强化和叶片喷丸，提高材料表面机械性能；增加补振动光饰工序，用来降低叶片喷丸后的叶片表面粗糙度，最终实现整体叶盘各叶片几何尺寸精确成型及表面质量良好的一致性及稳定性。

4.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶盘叶片加工工艺方法，具体步骤如下：

步骤1：通过车加工工序完成零件铣叶型之前的装夹定位面的加工，并且在叶片部分均匀留有1mm余量；

步骤2：在高速铣削五坐标加工中心上装夹零件，将待加工叶片进行分组，并采用对称加工的方式，通过“粗开槽+混合铣削”的思路，设置合理的余量及切削参数，完成所有叶片几何尺寸的精确成型；小切深多刀路高速铣削加工，机床转速接近10000r/min；

步骤3：在锅式振动光饰机中装夹零件，采用专用工装保证整体叶盘的盘体不受磨料影响，选用磨料及加工参数，去除叶身上的切削痕迹，保证叶片表面粗糙度满足设计图纸要求，需要达到Ra0.4μm，光饰时间单面4小时；

步骤4：将零件固定在激光强化设备上，并使用专用保护胶带对非加工部位进行保护，对激光能量、光斑大小、光斑搭接率的参数进行设置，完成所有叶片的激光强化加工，特别注意应防止叶片强化表面出现烧蚀的现象；

步骤5：完成试片喷丸之后，在数控喷丸机上装夹零件，采用专用工装保护整体叶盘的盘体不会在加工中被喷到，选择玻璃丸或陶瓷丸作为加工丸料，设定加工参数，保证喷丸强度，完成所有叶片的喷丸加工，特别注意零件喷丸区的覆盖率≥100%；

步骤6：将完成叶片喷丸后的零件重新安装到锅式振动光饰机中，完成对零件叶片的补振动光饰加工，加工参数与振动光饰工序一致，但加工时间只需单面1小时。

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