高溫合金渦輪盤粗拉刀修磨研究

關彥齊，于廣濱，朱金鳴，胡清明，孫丹丹

(1.齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161000；2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；3.中國船舶集團有限公司第七〇三研究所，黑龍江哈爾濱 150078)

0 前言

燃氣輪機的動力渦輪轉子是其關鍵核心部件，通過盤和盤、盤和軸之間以內、外圓面和端面配合定位，利用高強度精密錐螺栓連接成整體轉子，如圖1所示。其中，動力渦輪盤是燃機中重要的熱端承力部件，需要在較高的溫度下長時間承受巨大的離心力和熱應力，因此對其材料力學性能要求極高。

圖1 某型燃機動力渦輪盤所屬的渦輪轉子

渦輪盤樅樹形榫槽在拉削時采用粗拉削和精拉削的方式，即粗拉削時每個齒切下大量金屬，不參加榫齒齒形的成型加工，如圖2所示；精拉削時每個齒切下的金屬和被拉削表面的最終輪廓類似，直至最后一把精刀拉削完成，形成樅樹形榫槽。粗拉削時，去除金屬余量多，且材料加工難度大，易造成刀具破損，甚至是斷裂。在渦輪盤拉削時應經常對粗拉刀進行修磨以保證生產質量和效率。本文作者以粗拉刀修磨為基礎，利用刀具修磨進行補償，提出一套切實可行的拉刀修磨方法。

圖2 某型燃機動力渦輪盤粗拉削

1 拉刀失效形式分析

拉刀在加工過程中不可避免地會產生一些失效現象，如刀具磨損、破損、崩刃、斷裂等，如圖3所示。本文作者系統(tǒng)地分析這些容易引起拉刀失效的現象，并總結出改進的措施，進而提高拉刀的使用壽命和減少修磨次數。

圖3 動力渦輪盤粗拉刀崩刃放大圖

(1)毛坯

通常工件硬度為180～210HB時，切削性能良好，拉削的質量尚佳。GH4698高溫合金渦輪盤的硬度為285～341HB，硬度較高。如果材料太硬，刀具與工件的接觸面容易受到很大的壓力，易導致被加工零件與刀具的側面形成冷焊，進而會導致拉刀在加工時磨損加劇，嚴重時刀具會斷裂。若毛坯的金相組織分布不均，熱處理后軟、硬區(qū)域分布亦不相同，拉削時拉刀向硬度較小的方向側傾，此時拉刀所受的徑向切削力不平衡而造成拉刀損壞。渦輪盤毛坯入廠前，檢驗人員應按照技術協議逐項復查，確保毛坯質量，拉床操作人員可根據拉削時產生的切屑形狀判定輪盤的可拉削性，若形狀為卷形，說明輪盤的可拉削性尚佳，若形狀為碎屑，則不建議該零件進行后續(xù)拉削。

(2)拉刀設計

拉刀是封閉式刀具的一種，若存屑位置不足或形狀不合理，會將切屑卡在容屑槽內，這時拉削力急劇增加，拉刀磨損加快，極易造成崩刃，甚至拉刀損毀。拉刀切削刃的粗糙度也應進行控制，刀刃粗糙度值越大，摩擦力就越大，導致拉刀壽命下降。齒升量也是考量拉刀的重要指標之一，若選取不當會使拉削力不平均，拉削時將產生振動，嚴重時拉刀將折斷。

(3)拉刀制造

GH4698高溫合金的綜合素質較好，對拉削刀具的制造有較高要求，刀具應該滿足高的耐熱性、足夠的強度和韌性、良好的紅硬性和耐磨性、良好的化學穩(wěn)定性、良好的導熱性和耐熱沖擊性能。綜合考慮到成本和性能，渦輪盤粗拉刀采用CPM-T15粉末冶金高速鋼。粉末冶金高速鋼T15具有基體強度高、韌性強、紅硬性好、耐磨性強、性價比高的特點，熱處理淬火后硬度能達到 66～68HRC，強度和耐磨性約為傳統(tǒng)高速鋼刀具的數倍。刀具毛坯熱處理前，應先加工刀體、齒槽等，并進行探傷檢查。刀具制造過程中，粉末冶金高速鋼刀具的熱處理是關鍵工藝之一，直接影響刀具強度和韌性。拉刀入場前需按技術協議逐項檢查，尤其是無損探傷，能有效避免拉削時打齒、崩刃。

(4)拉削工藝

拉削時如速度過快，拉刀的瞬間切削力將急劇增加，刀刃的溫度也將快速升高，這會大大增加崩刃的風險，也會減少拉刀使用壽命。CPM-T15粉末冶金拉刀粗拉時速度保持4～8 m/min，零件的強度越低，則速度在上述范圍內取越大值。渦輪盤在拉削時，一般采用非標夾具，雖然成本較高但可以滿足拉削裝夾需求，拉削時輪盤移動或拉刀基準面垂直度超差，會造成拉刀徑向產生較大的彎曲應力，從而使拉刀斷裂。

(5)機床因素

若機床的剛性差、功率較低容易在加工時產生振動從而使刀具崩刃甚至折斷，所以可使用剛度和性能都較好的設備拉削。同時,也應選擇定位精度高的拉床進行輪盤拉削。

除上述因素外，拉削切削液的選擇、拉刀的保養(yǎng)、工件的散熱情況、環(huán)境的溫度等因素也會對拉刀壽命造成不同程度的影響，具體影響因素如圖4所示。

圖4 拉刀失效因素

2 拉刀修磨仿真分析

拉刀修磨時，大部分的熱量被傳入拉刀中，這些傳入的熱量會在表面聚集，尚未擴散就在刀具表面形成局部高溫，溫度可達1 000 ℃。如果磨削參數選擇不合理，將使拉刀修磨時的表面溫度跨越相變溫度，拉刀的微觀組織將產生改變，形成退火或者燒傷，刀刃的強度和硬度都會下降,進而加劇刀具的磨損，導致拉刀的壽命大幅度降低。

如通過現有的公式計算磨削溫度，工作量會非常大，計算過程也很繁瑣，所以利用計算機對實際工況進行仿真分析已成為工程應用中的一種方法。本文作者利用數值仿真技術，模擬磨削過程的溫度場，并分析不同磨削條件對溫度場的影響。

2.1 拉刀磨削時的熱流密度

在磨削時，磨削液難以進入局部磨削區(qū)，因此在磨削時磨削液帶走的磨削區(qū)的熱量非常少。同時，磨削時拉刀的表面溫度很高，當磨削液溫度變高達到沸騰時，磨削液與工件表面之間的氣化現象又構成隔離層，大大減少了磨削液與工件表面之間熱量的傳遞。此次加工為拉刀修磨，一般修磨對金屬的去除量較小，磨屑帶走的熱量也極為有限。因此不考慮上述磨削液和磨屑兩種因素的影響。

磨削時，流入拉刀表面的熱流密度為

式中：為輸入拉刀的熱流密度百分比;為磨削切向力;為砂輪移動速度;為砂輪與工件的幾何接觸面積。

根據Hahn模型，砂輪-工件熱量分配比為

2.2 拉刀修磨溫度場仿真

在拉刀的修磨過程中，切削深度較小，可以忽略磨削深度對溫度的影響，將工件已加工表面和未加工表面看成是同一表面。此節(jié)利用拉刀的三維模型進行溫度場仿真。

材料性能與相關條件修磨試驗采用CMP-T15粉末冶金高速鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 CMP-T15拉刀的材料屬性

在修磨的過程中，工藝參數對刀具溫度的影響較大。因此，分別取砂輪線速度為 30、40、50 m/s，砂輪的進給速度為2、3、4 m/min對拉刀進行修磨溫度場仿真綜合試驗。

拉刀單個齒的溫度場可以代表其余齒修磨時的狀態(tài)，因此建立拉刀模型時將其簡化，利用Workbench 中Mesh功能對模型進行網格劃分，網格選擇為8節(jié)點6面體單元，著重對修磨面的網格進行細化處理，網格劃分如圖5所示，最終網格的平均值為0.72，符合求解要求。

圖5 拉刀簡化模型網格劃分

通常情況，刀具磨削設備在帶有空調的恒溫室內，溫度為(20±2)℃，則將拉刀修磨時的環(huán)境溫度設為20 ℃。工件各面與空氣進行換熱，換熱系數通常為5～25 W/(m·K)，在工件表面添加一個移動熱源。由于Workbench 本身不能直接加載移動熱源，把這一過程離散化，短時間內在磨削區(qū)加載固定的熱流密度，然后在下個時間段將熱源轉移到下一個磨削區(qū)域，同時將上次所分析的結果加載為此次初始條件；采用三角熱源模型，通過多次迭代和連續(xù)加載，可以得到磨削區(qū)溫度的分布。

2.3 仿真結果分析

圖6所示為砂輪在進給速度為2 m/s的條件下，線速度分別為30、40、50 m/s時磨削過程中的溫度場分布情況?？芍耗ハ鞯淖罡邷囟劝l(fā)生在=4.5 s時，當線速度為50 m/s時刀具最高溫度為966.32 ℃，在此溫度零件表層金相組織易發(fā)生變化，導致燒傷并且熱應力相對較大；當線速度為30 m/s時，拉刀的表面最高溫度為538.82 ℃，此時零件的金相組織穩(wěn)定，且熱應力較小，故選擇砂輪的線速度為30 m/s。

圖6 進給速度2 m/s、不同線速度時刀具表面溫度場分布

在線速度為30 m/s的條件下，分別對進給速度為3、4 m/min進行溫度場仿真，結果如圖7所示?？芍寒斶M給速度為3 m/min時，在=3 s時的溫度最高，為509.27 ℃；當進給速度為4 m/min時，最高溫度為482.48 ℃，發(fā)生在=2.3 s，此時溫度相對較低，雖然進給速度變快導致熱量增多，但磨削時間相對變短，進而出現此種現象。4 m/min時溫度相對較低，但瞬時磨削力增大，且3種進給速度對溫度的影響較低，綜合效率和瞬時磨削力等因素，選擇磨削進給速度為3 m/min。

圖7 線速度為30 m/s、不同進給速度時刀具表面溫度場分布

圖8所示為進給速度3 m/min且砂輪線速度30 m/s時刀刃上均布的9個點處隨時間變化的溫度?？梢钥闯?，選定的磨削參數合理。

圖8 刀刃最高溫度隨時間的變化(進給速度3 m/min,砂輪線速度30 m/s)

3 拉刀的修磨

拉刀修磨時應維持刀齒自身的參數，以保證拉刀容屑槽原本的幾何形狀和尺寸，若幾何形狀和尺寸有誤將造成擠塞現象，這時刀齒易崩斷或破損。

拉刀需要修磨時通常分為3種情況：(1)當拉刀破壞時需要修磨，如崩刃、磨損等;(2)拉削過程中出現異常，如榫槽表面與原表面相比變得粗糙、切削力增大、拉刀振動異常、拉床異響等，需要對拉刀進行檢查，檢查后決定拉刀是否需要修磨；(3)拉刀在拉削規(guī)定數量的榫槽后必須修磨，即便拉刀尚未出現上述現象也需要修磨，宏觀上看不出拉刀的磨損情況，但拉刀已經接近疲勞臨界點，若繼續(xù)拉削，刀具的磨損將會加劇，極易導致刀刃嚴重磨損，甚至會出現崩刃或刀具折斷。

3.1 砂輪的選擇

拉刀修磨時需對砂輪的磨料、粒度、結合劑等方面進行綜合考量，同時要考慮CPM-T15粉末冶金材料的磨削性能。粗拉刀修磨時采用了磨料為CBN的成型砂輪，如圖9所示。它具有高硬度、高韌性、熱穩(wěn)定性好、化學惰性強、導熱性好、耐磨性好、壽命長、被加工表面質量好等特點。選擇結合劑為陶瓷、粒度為100的砂輪，其綜合性價比較好，適合此類材料粗拉刀的修磨。

圖9 CBN成型砂輪

3.2 磨削液的選擇

磨削液具有潤滑、冷卻、清洗等作用，同時也要考慮抗腐蝕性、有害性、安全性等。拉刀在修磨時會產生高溫，CBN砂輪在水基磨削液中會發(fā)生水解反應，使磨粒晶形遭到破壞，加速砂輪的磨損，所以磨削時應用油性冷卻液。油冷方式不僅可以降溫，而且還有很好的潤滑功能，能使砂輪更不易磨損，所以磨削T15材料的粗拉刀采用高壓油基磨削液。

3.3 拉刀的磨削加工

一般情況下，修磨拉刀的前角便可繼續(xù)使用。拉刀修磨前應先對拉刀的刀刃、前刀面進行清理，防止有切屑、積屑瘤，清理后將拉刀放到ArthurKlink數控拉刀磨床的工作臺上，通過磁力將拉刀吸附到工作臺上。如圖10(a)所示，修磨前進行對刀，通過第2.3節(jié)確定的磨削參數進行修磨，如圖10(b)所示。修磨后對拉刀刃口進行目視檢查，確認崩刃、破損部位已修磨完成，如圖11所示。

圖10 拉刀修磨前對刀及修磨

圖11 修磨后的拉刀

磨削后，切齒的前后角若很小，則摩擦力變大，切削力增大，需要檢查角度是否符合要求。同時拉刀刃口通常會有翻向后刀面的毛刺，若毛刺清理不到位，不但影響拉刀的尺寸，也會在拉削過程中產生勒刀現象，嚴重時拉刀將會折斷。清理毛刺后對拉刀進行消磁探傷處理。具體拉刀修磨流程如圖12所示。

圖12 拉刀修磨流程

4 結論

本文作者分析了拉刀的失效形式并提出一定的解決方法，同時對粗拉刀磨削時的溫度場進行分析，確定了拉刀修磨的工藝參數。利用確定的磨削參數對粗拉刀進行了修磨加工，且確定了砂輪種類、切削液種類及修磨工藝過程，保證了粗拉刀的修磨質量，為拉刀的修磨提供了參考。