CN115781195A - 一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法 - Google Patents

一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法 Download PDF

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CN115781195A CN202211608137.6A CN202211608137A CN115781195A CN 115781195 A CN115781195 A CN 115781195A CN 202211608137 A CN202211608137 A CN 202211608137A CN 115781195 A CN115781195 A CN 115781195A
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黄鹿
张光彦
孔祥茹
魏沫晗
陈蒙
华峰
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Abstract

本申请提供了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法，所述方法包括：将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过盲孔及专用固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工；通过钳工去除叶轮全部尖边毛刺，研磨基准内孔，完成在钛合金风扇叶轮的加工。

Description

一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法
技术领域
本申请属于涡轮冷却器的风扇叶轮加工技术领域，尤其涉及一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法。
背景技术
涡轮冷却器是利用发动机引气提供的动力带动风扇将冲压空气抽吸到冷却系统。涡轮冷却器一般由蜗壳、喷嘴环、涡轮叶轮、轴流风扇叶轮、轴承壳体和轴等零组件组成。发动机的引气气体进入涡轮入口，通过蜗壳均匀进入收缩形的喷嘴环中进行膨胀加工运动，其温度、压力降低，转变成动能，然后进入涡轮叶轮冲击叶轮叶片转动，气流进入叶轮后继续膨胀，在叶轮叶片的作用下，随叶片作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮的压力得到提高。由于叶轮作为涡轮冷却器中关键部件，其加工质量对整台涡轮冷却器有着至关重要的影响，而整体叶轮的叶片形状复杂，叶面扭曲，加工中容易于刀具发生干涉，因此叶轮的加工技术一直是加工制造业中的重要研究对象。
目前对整体叶轮的加工方法主要有精密铸造、焊接工艺、数控切削加工、电解加工等方法，而整体风扇叶轮的加工在国内已研究了十多年，虽然也取得一定的加工经验，但对于这种结构复杂的风扇叶轮，由于该种风扇叶轮材料为钛合金，该材料导热系数小，弹性模量低，在加工过程中切削产生的热烈不容易传出，导致切削区域温度很高，使刀具材料软化加快刀具的磨损，刀具磨损后又容易出现切削力增大，会造成叶片切削变形和烧伤，甚至刀具断裂等，加工精度难以保证。风扇叶轮加工从毛坯到最终曲面成型过程中材料整体去除率大，粗加工应当以快速去除毛坯余量为目的，并要求尽可能降低加工成本，所以粗加工工艺规划对风扇叶轮的粗加工影响甚大。
而叶轮叶片、流道、叶片根部圆角的精加工过程是直接影响整个叶轮的质量，因此它的加工工艺方法和参数设置亦是整个叶轮加工过程中最重要的加工工序环节。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法，所述方法包括：
将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；
对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；
根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；
对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过盲孔及专用固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；
通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工；
通过钳工去除叶轮全部尖边毛刺，研磨基准内孔，完成在钛合金风扇叶轮的加工。
优选地，在对坯料依次进行时效处理和冰冷处理使坯料的应力释放时，包括：
将坯料在500～700℃下保温4～5小时，然后随空气冷却；
将时效后的坯料放置于-65±5℃的范围的温度进行冰冷处理，保温2.0～3.0小时。
优选地，在对坯料加工成带有整体风扇叶轮外廓形状的叶轮毛坯时，将斜孔位置车加工成与斜孔中心线垂直的斜面。
优选地，在对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工时，加工均布的直孔和对称的工艺孔；翻过来加工均布的斜孔。
优选地，在对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗加工和精加工，完成在叶轮毛坯上的叶片加工时，包括：
根据风扇叶轮的尺寸要求，在对叶轮毛坯上的叶片进行粗加工，加工出风扇叶轮的各个叶片、以及流道；根据风扇叶轮的三维模型，对叶轮毛坯进行精加工，以加工出与三维模型一致的叶片和流道；钳工修磨叶轮毛坯上的圆角、圆边、去毛刺，完成在叶轮毛坯上的叶片加工。
优选地，所述方法还包括：
在对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗加工时，利用三轴加工中心进行定轴粗加工，去除风扇叶轮的余量，并预留一定加工余量；
在对叶轮毛坯上的叶片依次进行精加工时，利用专用芯轴固定粗加工后的叶轮毛坯，利用四轴或五轴加工中心对风扇叶轮的各个叶片以及流道进行精加工。
优选地，固定叶轮毛坯的专用工装包括芯轴、螺帽及压板。
优选地，在对装卡在加工专用工装上的叶轮毛坯的轴盘背依次进行精加工时，所用的加工专用工装包括用于放置叶轮毛坯的夹具主体、以及与所述夹具主体的上边缘可拆卸连接的压板，所述压板用于将叶轮毛坯放置在所述夹具主体后，将叶轮毛坯的固定在所述夹具主体内。
优选地，所述方法还包括：
对叶轮叶片的外表面、轮毂的外表面、中心孔、斜孔及盲孔的孔壁、止口的表面和内轮毂的端面进行着色荧光探伤检查。
优选地，所述方法还包括：对叶轮进行静平衡试验；对叶轮基准内孔进行研磨。
本申请的有益技术效果：
本发明公开了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工工艺方法。包括以下步骤:将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯进行半精车成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过工艺盲孔及芯轴固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工，完成在钛合金风扇叶轮的加工；解决了对钛合金风扇叶轮整体加工的难题，提高了加工生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种轴流式钛合金风扇叶轮的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种轴流式钛合金风扇叶轮的半剖示意图；
图3为本发明实施例的粗车成带有基准孔的钛合金风扇叶轮毛坯的结构示意图；
图4为本发明实施例的带有与斜孔中心线垂直的叶轮毛坯的结构示意；
图5为本发明实施例的带有中心孔的钛合金风扇叶轮毛坯的结构示意；
图6为本发明实施例的带有工艺盲孔的钛合金风扇叶轮毛坯的结构示意图；
图7为本发明实施例的加工专用工装的结构示意图；
图8为本发明实施例的叶轮坯料固定在加工专用工装上的示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-8和具体实施例对本申请进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法，包括：将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过盲孔及芯轴固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工；通过研磨叶轮的基准内孔，完成在钛合金风扇叶轮的加工。
其中，在对坯料依次进行时效和冰冷处理，使坯料的的应力仅可能的释放时，包括：
时效处理：将坯料在500-700℃下保温4～5小时，然后随空气冷却；
冰冷处理：时效后的坯料至于-65±5℃的范围的温度进行冰冷处理，保温2.0～3.0小时。
其中，在将坯料进行外廓加工成带有整体风扇叶轮外廓的叶轮毛坯时，包括：根据钛合金风扇叶轮的三维模型，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔。
其中，在对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工，完成在叶轮毛坯上的叶片加工时，包括：根据风扇叶轮的尺寸要求，在对叶轮毛坯上的叶片进行粗加工，加工出风扇叶轮的各个叶片和流道；对叶轮毛坯进行精加工，以加工出与三维模型一致的叶轮；修磨叶轮毛坯上的圆角、圆边、去毛刺，完成在叶轮毛坯上的叶片加工。
其中，在对装卡在加工专用工装上的叶轮毛坯的轴盘背依次进行精加工时，所用的加工专用工装包括用于放置叶轮毛坯的夹具主体、以及与所述夹具主体的上边缘可拆卸连接的压板，所述压板用于将叶轮毛坯放置在所述夹具主体后，将叶轮毛坯的固定在所述夹具主体内。
其中，所述夹具主体的上边缘分布设置有多个固定孔，所述压板上设置有连接孔，所述压板通过穿过所述连接孔的螺栓与固定孔相连接，使所述压板固定在所述夹具主体上，并将叶轮毛坯的外边缘固定在所述夹具主体内。
在本申请其他实施例中，本发明公开了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工工艺方法。包括以下步骤:将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯进行半精车成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过工艺盲孔及芯轴固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工，完成在钛合金风扇叶轮的加工。本发明解决对钛合金风扇叶轮整体加工的难题，提高了加工生产效率。
在本申请其他实施例中，提供了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工的工艺方法，该方法包括：
步骤1：分析叶轮结构；
如图1、2所示，钛合金风扇叶轮包括流道1、叶片2、中心孔3、6个均布的盲孔4、6个均布的斜孔5、2个工艺孔6、基准孔7及角向孔8。在本实施例中，该叶轮结构的叶片亦可以为3～5个。
在本实施例中，该叶轮的斜孔5与盲孔4相贯通，通气，增加气体的流通性，同时减轻了叶轮的结构重量。
步骤2：将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔7；
进一步地，如图3所示，将棒料叶轮毛坯粗车外形轮廓，并沿叶轮毛坯的轴向中心钻通叶轮毛坯，形成基准孔7。
具体地，将棒料叶轮毛坯粗车外形轮廓，外轮廓及端面保留的加工余量有为1mm，并沿叶轮毛坯的轴向直径为
Figure BDA0003999504970000061
的基准孔7至通，保证基准孔的粗糙度为Ra1.6,基准孔的圆柱度≤0.05mm。
步骤3：将粗车后的叶轮毛坯依次进行时效和冰冷处理。
进一步地，在对坯料依次进行时效和冰冷处理，使坯料的应力仅可能的释放时，包括：时效处理：将坯料在500～700℃下保温4～5小时，然后随空气冷却；冰冷处理：时效后的坯料至于-65±5℃的范围的温度进行冰冷处理，保温2.0～3.0小时。
步骤4：将坯料进行外廓加工成带有整体风扇叶轮外廓的叶轮毛坯。
进一步的，如图3所示，在将坯料进行外廓加工成带有整体风扇叶轮外廓的叶轮毛坯时，包括：根据钛合金风扇叶轮的三维模型，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴。
具体地，将车叶轮毛坯，a(1)和b(1)小端面各留有0.5mm的加工余量，a(1)小端面加工成带有斜面，斜面的法向矢量与斜孔轴向方向相同。
步骤5：对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工。
进一步的，如图4所示，对叶轮毛坯上的直盲孔4和斜孔5依次进行加工，同时，钻多个对称且均布的工艺盲孔6。
具体地，先以a面为定位面，找正基准孔7，钻6个均布的盲孔、两个工艺孔6及角向孔8；翻面找正基准孔及工艺孔，钻6个斜孔7。
步骤6：将叶轮毛坯精车叶片外形轮廓，基准孔加工，保证圆柱度0.01。
步骤7：对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗、精加工。
进一步的，在利用四轴或五轴加工中心对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗加工和精加工，完成在叶轮毛坯上的叶片加工时，包括：根据风扇叶轮的尺寸要求，在对叶轮毛坯上的叶片进行粗加工，加工出风扇叶轮的各个叶片、以及流道；修磨叶轮毛坯上的圆角、圆边、去毛刺，完成在叶轮毛坯上的叶片加工。
具体地，在粗加工叶片和流道时，为了快速去除叶轮的大量多余材料，同时为了防止叶轮加工变形，采用定轴两面分层登高铣削的方法去除叶片余量。其加工工艺参数为：刀具为立铣刀，主轴转速为5000r/min、进给量1000mm/min、切削深度Ap为1mm，切削宽度为Ae为60％刀具直径，叶片余量为1～2mm的加工参数，有效提高了加工速度，降低了叶片弹性变形的风险。
进一步地，精加工是保证叶轮叶片尺寸精度、形位公差和表面粗糙度的关键步骤。精加工包括叶片、流道和叶根圆角的精加工。由于叶片悬伸长，壁厚薄，加工时更容易发生弹性形变，所以精加工的刀具选择、加工切削参数非常重要。为满足叶轮加工要求，采用五轴加工中心，对其精加工。刀具选用锥度为4°的锥度球头铣刀，采用点铣(点接触)的加工方式对叶片进行精加工，每层切削深度为0.2mm，主轴转速为6000r/min、进给量1500mm/min、切削深度Ap为0.2mm；流道和叶片根部圆角精加工，采用相同规格锥度为4°的锥度球头铣刀，主轴转速为6000r/min、进给量1500mm/min、切削深度Ap为0.2mm，步距为0.3mm。
步骤8：通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘a(1)、b(1)小端面进行精加工，保证D1、d1的形位公差及表面粗糙度。
步骤9：去除整体叶轮的尖边毛刺，对其进行静平衡试验。
具体的平衡标准：在叶轮在平衡架上旋转后，在任意为孩子施加外力使其停止，外力移除后，叶轮依然静止。
去材料原则：优先选用机械加工的方法去除，不能沿型面均匀铣削的选用旋锉，去材料低点深度不超过0.5mm。
步骤10：研磨内孔，完成钛合金风扇叶轮的加工。
本发明实施例中，还可以对叶轮进行进一步加工，包括着色和静平衡试验，具体地，分别对精车后叶片2的外表面、轮毂1的外表面、中心孔8的孔壁、止口9的表面、小端1b的端面、大端1a的端面和内轮毂的端面1d进行着色，具体可按HB/Z 61-1998进行100荧光渗透探伤检查，经过Ⅰ级验收后为合格。
本发明实施例提供了一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法，可用于加工大较大空间的风扇叶轮，先加工外形轮廓和基准孔，基于基准孔在叶轮毛坯上形成中心孔，这样减小了加工难度，利用三轴立式加工中心对叶片和轮毂粗铣加工，将大部分叶片余量去除，缩短了叶轮整体加工周期，降低加工成本；在叶轮和轮毂的粗铣、精铣之间，见缝插针将叶轮的大小端面、大端面的止口平面加工完成，即实现了叶片和轮毂的应力进一步自然释放，也完成了叶轮的大小端其它半精车加工内容；采用先加工基准孔再通过基准孔加工的直盲孔、工艺孔及斜孔，提高了叶轮的加工效率和加工质量，减轻了斜孔加工偏离现象；将工艺的加工放在叶片精铣之后，可以直接不下机床直接进行加工，既减少了一道工序和转换工序带来的繁琐流程，又减少了叶轮整体加工周期，同时通过同一个机床加工，提高了这几个螺纹孔与叶轮内孔等的位置度精度。该方法可大幅度降低因叶片变形和深孔加工偏离等问题产生的废品率，提高叶轮型面的加工几何精度和表面质量，加工周期短，易于推广，且加工过程合理，能保证了叶轮的加工精度以及较高的生产效率；叶轮整体时效和冰冷处理，去除叶片及轮毂粗铣加工产生的应力，为保证叶片型值提供保障。

Claims (10)

1.一种轴流式钛合金风扇叶轮加工方法，其特征在于，所述方法包括：
将坯料进行粗车并沿叶轮毛坯的轴向钻通形成基准孔；
对叶轮毛坯进行时效处理和冰冷处理；
根据钛合金风扇叶轮的尺寸要求，对叶轮毛坯车加工成带有整体风扇叶轮的外廓，并使叶轮两端的止口与中心孔保持同轴；
对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工，同时，钻多个工艺盲孔；通过盲孔及专用固定叶轮毛坯，对叶轮毛坯上的叶片、流道依次进行粗加工和精加工；
通过专用工装固定叶轮毛坯，对叶轮的轴盘端面进行精加工；
通过钳工去除叶轮全部尖边毛刺，研磨基准内孔，完成在钛合金风扇叶轮的加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对坯料依次进行时效处理和冰冷处理使坯料的应力释放时，包括：
将坯料在500～700℃下保温4～5小时，然后随空气冷却；
将时效后的坯料放置于-65±5℃的范围的温度进行冰冷处理，保温2.0～3.0小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对坯料加工成带有整体风扇叶轮外廓形状的叶轮毛坯时，将斜孔位置车加工成与斜孔中心线垂直的斜面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在对叶轮毛坯上的直孔和斜孔依次进行加工时，加工均布的直孔和对称的工艺孔；翻过来加工均布的斜孔。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗加工和精加工，完成在叶轮毛坯上的叶片加工时，包括：
根据风扇叶轮的尺寸要求，在对叶轮毛坯上的叶片进行粗加工，加工出风扇叶轮的各个叶片、以及流道；根据风扇叶轮的三维模型，对叶轮毛坯进行精加工，以加工出与三维模型一致的叶片和流道；钳工修磨叶轮毛坯上的圆角、圆边、去毛刺，完成在叶轮毛坯上的叶片加工。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对叶轮毛坯上的叶片依次进行粗加工时，利用三轴加工中心进行定轴粗加工，去除风扇叶轮的余量，并预留一定加工余量；
在对叶轮毛坯上的叶片依次进行精加工时，利用专用芯轴固定粗加工后的叶轮毛坯，利用四轴或五轴加工中心对风扇叶轮的各个叶片以及流道进行精加工。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，固定叶轮毛坯的专用工装包括芯轴、螺帽及压板。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对装卡在加工专用工装上的叶轮毛坯的轴盘背依次进行精加工时，所用的加工专用工装包括用于放置叶轮毛坯的夹具主体、以及与所述夹具主体的上边缘可拆卸连接的压板，所述压板用于将叶轮毛坯放置在所述夹具主体后，将叶轮毛坯的固定在所述夹具主体内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对叶轮叶片的外表面、轮毂的外表面、中心孔、斜孔及盲孔的孔壁、止口的表面和内轮毂的端面进行着色荧光探伤检查。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对叶轮进行静平衡试验；对叶轮基准内孔进行研磨。
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