某型機高溫合金盤類零件變形控制研究

宋秀峰

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

0 引言

高溫合金因在高溫下具有優(yōu)良性能，在航空航天領(lǐng)域上有著良好的應(yīng)用前景。我國航空航天制造領(lǐng)域的技術(shù)在不斷進步，高溫金屬在工業(yè)生產(chǎn)中也逐漸被應(yīng)用。高溫金屬應(yīng)用在很多高溫場合，如：發(fā)動機燃燒室、鍋輪機、飛機、核反應(yīng)堆等。航空發(fā)動機采用的新材料、新技術(shù)較多，其制造成本高、工藝復(fù)雜、制造周期較長。目前高溫合金在航空發(fā)動機領(lǐng)域是首選材料，因為其在高溫下機械性能穩(wěn)定，在航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C等整體機中應(yīng)用較多，在微型飛行器領(lǐng)域也有很廣的應(yīng)用前景。

加工變形是航空發(fā)動機高溫合金薄壁盤類零件制造中的難題，目前國內(nèi)航空企業(yè)對此類問題的控制還缺乏有效的方法。渦輪轉(zhuǎn)子，在航空發(fā)動機零部件中起著至關(guān)重要的作用。航空發(fā)動機渦輪零件所用的材料，有高強度、高熔點，能適應(yīng)高溫下可靠工作的要求，其渦輪、盤環(huán)類零件的結(jié)構(gòu)多樣性較強，并存在不規(guī)則型面。一些零件在數(shù)控車加工中，去毛坯過程會去除較大的余量，在此過程中應(yīng)力隨之產(chǎn)生，在去除應(yīng)力的過程中，零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到釋放。在殘余應(yīng)力的影響之下，零件易產(chǎn)生變形，尺寸難以保證，達(dá)不到技術(shù)要求。高溫合金廣泛應(yīng)用于渦輪部件，因含有大量的合金元素，不但有很高的常溫強度，而且有很高的高溫強度、熱穩(wěn)定性和抗疲勞性，在（600～1100）℃的氧化和燃?xì)飧g條件下，材料能承受復(fù)雜的應(yīng)力，可延長可靠工作期限。在承受較大的切削應(yīng)力時，高溫合金內(nèi)部單位切削力高出45#鋼50%左右；在相同的切削條件下，切削溫度比45#鋼高（100～400）℃；當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生較強烈磨損時，會產(chǎn)生一定的塑性變形，致使加工表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。加工過的高溫合金表面往往比基體硬度高50%～100%，較高的殘余應(yīng)力使機械加工性能差，加工時零件產(chǎn)生變形。

1 某型機盤類零件變形機理

應(yīng)力和形變是同時存在的。加工時零件產(chǎn)生形變主要是內(nèi)應(yīng)力造成。工件在機械加工過程中，零件的內(nèi)應(yīng)力主要分為兩種：殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力，由熱應(yīng)力引起塑性變形引起。切削時已加工過的零件表面溫度很高，但里面的溫度低，溫度不均衡導(dǎo)致金屬表層金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱應(yīng)力由里層金屬阻礙表層金屬體積膨脹而產(chǎn)生。當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的屈服極限，切削時表層金屬就會發(fā)生壓縮性形變，加工完成后，里層金屬又會牽制表層金屬的體積收縮，此時金屬里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、外層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。在機械加工時會產(chǎn)生殘余的加工應(yīng)力，機械應(yīng)力引起塑性變形會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。切削時工件材料和到刀刃前方受到擠壓發(fā)生壓縮性形變和伸塑性變形，即將加工的表面金屬在切削方向產(chǎn)生壓縮性形變，垂直方向的形變?yōu)樯焖苄宰冃巍＜庸ね瓿珊蟊韺咏饘偈艿叫巫兝飳咏饘俚臓恐贫a(chǎn)生殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。

此外，加工金屬表面時，已加工表面和刀具的后面會產(chǎn)生很大的壓力和摩擦，金屬表層產(chǎn)生拉伸塑性變形，當(dāng)?shù)毒唠x開金屬面后，表層金屬在里層金屬的作用下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時里層金屬也產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

盤類零件毛坯與成品之間的重量差在（8～10）倍左右。加工過程中，余量大，工序復(fù)雜，會產(chǎn)生較大的切削力。隨著毛坯余量的去除，工件本身殘留的應(yīng)力也隨之釋放出來。零件加工時間越長，內(nèi)應(yīng)力釋放越充分，零件變形??；反之，零件變形大。

2 工藝解決措施

2.1 合理劃分加工階段、合理分配加工余量

盤類零件加工余量大，毛坯形狀不均，加工中分為粗加工、半精加工、精加工3 個階段。粗加工為半精加工去除大部分余量，確保后面需要繼續(xù)加工的零件余量均勻。粗加工形變引起的形變可以通過精加工修正，但要確保精加工余量均勻。因加工精度高，精加工時易發(fā)生形變，采用合理的切削參數(shù)及工藝裝備尤為重要。通常盤類零件需用超聲波探傷，探傷要求單邊余量＞4 mm，這樣對零件總體加工余量要求8 mm 左右。為避免精加工時應(yīng)力造成變形，粗加工時盡可能去除大部分加工余量，為后續(xù)加工中控制和修復(fù)、使零件盡早釋放部分應(yīng)力，可使其早些形變。采用粗加工后增加半精加工的方法加工零件，盡量讓余量均勻。精加工時要控制零件的結(jié)構(gòu)變化。

2.2 適當(dāng)安排熱處理工序

在粗加工和半精加工之后、精加工之前，熱處理工序的合理安排極其重要。零件70%～80%的余量由粗加工和半精加工去除，致使加工應(yīng)力較大。為了消除應(yīng)力變形，使應(yīng)力得到充分釋放，在半精加工后必需增加熱處理工序，必要時粗加工也可增加熱處理工序。

2.3 優(yōu)化工藝參數(shù)、改善切削力

車削加工主要分為直線和圓弧兩種。而盤類零件大部分為回旋件，需要車削加工。根據(jù)加工類型可以按以下原則進行參數(shù)優(yōu)化。

2.3.1 直線

理論上若需切削均勻則需要余量均勻、切削參數(shù)恒定。也可根據(jù)零件的剛性條件控制零件的形變。斜線走刀時，要想控制切削力的穩(wěn)定性，就要控制好余量，需要根據(jù)零件的剛性確定走刀方式。

2.3.2 圓角

圓角切削主要分為凸圓和凹圓兩類，切削余量、切削角度和切削力都發(fā)生很大變。加工圓角時軸向力較大，圓角處余量應(yīng)盡量小，切削時進給量盡量小。在相同的切削條件下，切削凹圓弧部分時切削力會突變增大，圓弧半徑與切削力突變成反比。如加工零件的凹圓弧半徑為R，刀具切削半徑為r。根據(jù)R 和r 的不同，選擇合適的切削方式和進給速度。如圖1 所示。

（1）當(dāng)R≤2r 時，加工該部位時切削力驟然增大，角處刀具與零件接觸面積的變化會直接影響削力的增大幅度。應(yīng)先取出部分余量讓其在后續(xù)加工時受力平穩(wěn)，再進行半精加工和精加工，可以減小形變、提高加工質(zhì)量。

（2）當(dāng)2r＜R≤20r 時，因為凹圓弧部分切削力增大，為使加工過程受力平穩(wěn)，應(yīng)減小加工進給速度30%～50%。

圖1 切削凹圓示意

（3）當(dāng)20r＜R＜50r 時，加工凹圓弧時應(yīng)減小進給速10%～30%，以控制切削力增大幅度、使其受力平穩(wěn)，進給速度調(diào)節(jié)幅度和圓弧半徑成反比。

（4）當(dāng)R＞50r 時，圓弧形狀對切削力的影響不大，可不調(diào)。但在加工凸圓時切削力會變小，但加工凸圓時多為過度區(qū)域，對切削力可不考慮。

高溫合金連續(xù)車削宜采用硬質(zhì)合金刀具，盡可能選取較小的工作正前角，切削速度較高時可以采用負(fù)前角。薄壁零件宜選用較大前角，后角應(yīng)稍大些，同時背吃刀量應(yīng)足夠大，以避免加工表面與刀刃打滑產(chǎn)生亮帶，一般吃刀量≥0.2 mm。，粗車時刀尖圓弧半徑（0.5～1）mm，精車時（0.3～0.5）mm。通過I 級渦輪導(dǎo)流盤進行加工驗證，確定該類零件的切削參數(shù)（表1）。

表1 常用切削參數(shù)

3 結(jié)語

高溫合金材料薄壁件切削加工中極易產(chǎn)生變形，刀片磨損嚴(yán)重，耐用度極差等問題尤為突出。通過對高溫合金材料高精度薄壁盤類零件車削加工過程進行分析，為控制加工形變引起的零件超差，采取相關(guān)的方案和措施。高溫合金制造加工技術(shù)難度大，主要以為易發(fā)生形變，雖然采取了一系列的措施，但由于高精度薄壁盤環(huán)類零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜效果并不理想。目前我國在發(fā)動機薄壁盤環(huán)類件制造技術(shù)領(lǐng)域加工形變控制方面與國外相比仍有很大的差距。