某发动机涡轮盘拉削过程控制研究

冯保东，黄艳松，张土军

（1.海军驻株洲某军代室，湖南 株洲 412002；2.中航工业南方公司，湖南 株洲 412002）

0 引言

涡轮盘与转子叶片、涡轮轴等零件组成的涡轮转子是航空发动机的重要零部件。涡轮转子叶片和盘几乎都是分开制造的［1］，制造后，涡轮盘榫槽与转子叶片榫齿进行连接形成整体。涡轮盘榫槽结构复杂、精度要求高，一般采用拉削加工的方法，由于加工难度大、质量控制严，因此榫槽拉削是涡轮盘加工的关键工序。粉末高温合金是用粉末冶金工艺生产的高温合金,解决了传统的铸锻高温合金由于合金化程度的提高造成的铸锭偏析严重、热加工性能差、成型困难等问题，是现代高推重比航空发动机涡轮盘等关键部件的必选材料［2］。FGH95 粉末高温合金是一种高合金化的γ′，沉淀强化型镍基粉末高温合金，γ′体积含量达到45%～55%，屈服强度比GH4169 高30%，在相同应力下使用温度可提高110℃［2］。某型航空发动机涡轮盘就采用了FGH95 粉末高温合金，有效提高了使用性能，但由于FGH95 粉末高温合金导热性差、表面硬度大等特点，在切削时容易产生粘刀、磨损、崩齿等的现象，降低了刀具的耐用性和寿命，给涡轮盘榫槽的切削加工带来较大的困难，也造成了不少的经济损失。为有效提高产品质量和加工效率，本文分析了导致FGH95 粉末高温合金加工难度大的原因，总结了拉削过程的控制要点，提出了拉削过程中出现拉刀磨损、崩齿等问题后的解决措施。

1 难加工原因分析

FGH95 粉末高温合金与传统铸锻工艺生产合金相比，具有性价比高的优点，但由于FGH95 粉末高温合金中存在非金属夹杂物，给机械加工造成较大的困难。非金属夹杂物是粉末高温合金中出现数量最多、出现几率最大的缺陷。非金属夹杂物通常随机分布在粉末高温合金中，非金属夹杂物主要为氧化物陶瓷颗粒，也有少量有机夹杂物，陶瓷夹杂物主要成分包括Al、Si、Mg、Ca、Zr 等，以Al2O3、SiO2等最为常见。非金属夹杂物的尺寸从几百纳米到几百微米不等。拉削含有夹杂物的粉末高温合金涡轮盘时，夹杂物的存在势必会对拉削过程产生一定的影响。非金属夹杂物的存在会恶化刀尖的工作条件，导致切削刃口的微观疲劳，切削刃不断地从夹杂切入基体材料，又从基体材料切入夹杂物，重复的小冲击导致切削刃上产生小裂纹，这些疲劳裂纹随着切削的进行不断增长直至切削刃微崩。只是这种微崩通常很小，一般表现为正常的硬质点磨损。另外，当非金属夹杂物的硬度比整个粉末高温合金零件的硬度高很多时，这些硬的夹杂物会引起切削刃严重的硬质点磨损，甚至直接导致拉刀刀齿崩裂［2］。

2 过程控制要点

综上所述，FGH95 粉末高温合金涡轮盘榫槽拉削过程中，由于非金属夹杂物存在不可避免，如果不采取相应的控制措施，必然会导致拉刀磨损和崩齿现象。为保证产品拉削质量、确保机床设备安全、减少刀具损失，建议从以下几个方面对拉削过程进行控制。

2.1 加工前检查

在加工前必须仔细检查装夹系统，检查可分为液压部分和机械部分。液压部分主要仔细检查油箱的液压油是否足够，各管路系统是否有渗漏、堵塞、老化等现象，润滑、冷却系统是否正常，开动机床进行空运行30 min 以上，并调好油压及往返行程；机械部分则重点检查各构件有无裂纹，连接部分是否安全可靠，运动副的动作是否灵活，分度机构是否准确无误，起始点是否对准拉削位置，装好的涡轮盘其外圆和端面的跳动是否在0.02 mm 以内。

为了最大限度地减小拉刀异常磨损及崩齿现象的发生，加工前对拉刀进行检查很有必要。首先应检查拉刀的外观是否存在裂纹、崩刃、烧伤、锈蚀、碰伤的缺陷；其次应检查拉刀的齿升量是否均匀、前后段的衔接是否合理；再次对拉刀的刃口进行“钝化”处理，即将拉刀的刃口研磨半径为R0.018～0.026 mm 的圆角，消除锯齿状的锐口以保证刃口平直无缺陷。

2.2 工艺控制

为使产品加工应力能得到释放，减少加工变形，保证形位公差满足要求，必须分粗、精拉两个工步进行拉削，即将整套拉刀分两个行程进行安装，完成整个产品的粗拉之后再进行精拉。新制或修刃的拉刀使用前，应采用试件进行试拉，尺寸测量合格后，方可进行正式拉削，并按工艺规程严格控制拉刀的使用次数。另外，拉削速度必须进行严格控制，防止拉削过快，经试验表明：粗拉的速度在1.5～1.8 m/min、精拉在1.8～2 m/min 范围内比较理想。

拉削是大切削刃面、多齿强力切削过程，会产生大量切削热，因此应采用大流量的冷却液进行强制冷却，以降低切削时的温升。在拉削过程中，要保证切削液充足和均匀，并保持一定的浓度，避免冷却液仅浇注一边，而另一边浇注不到，造成拉出的内孔轴线发生偏移，甚至导致拉刀因受力不均出现断裂［3］。

2.3 其他方面控制

当使用普通机床进行加工时，应尽量使用手动挡，以便出现异常时能紧急停车，避免造成大的损失。

使用数控拉床进行加工，可使用自动挡，因为数控拉床具有过载保护功能。由于加工过程中拉削力可能会出现变化，因此，操作者应该仔细观察拉削过程中的每个细节，特别是拉刀磨损、机床各压力表指针等的变化，发现异常必须及时停车检查，待查清原因排除故障后方可继续加工。

3 问题解决措施

在拉削过程中出现拉刀异常磨损、崩齿等现象，会对产品质量及机床设备造成影响，因此必须采取有效解决措施，及时加以解决。原则上，拉刀出现异常磨损或崩齿的问题时，必须立即更换成套拉刀。当刀齿已经粉碎性破坏时，不可继续拉削，应强行退出工作台、卸下全套拉刀，将机床各手柄（按钮）切换到空挡位置，在清理拉刀碎片后，另选一把合格拉刀在问题榫槽单独拉削一行程，确认产品质量无影响后，更换拉刀从出现崩齿的榫槽开始进行正常拉削。如刀齿仅断裂、未崩碎，可以尝试采用点动的方式进行拉削，完成此行程拉削后再更换成套拉刀即可。

4 结语

FGH95 粉末高温合金中存在非金属夹杂物是加工难度大的主要原因。非金属夹杂物的存在恶化了拉刀的受力条件，导致拉刀容易出现异常磨损和崩齿的现象，影响了产品质量和拉刀使用寿命。通过加强拉削前对装夹系统及拉刀质量的检查力度、严格控制工艺方法、正确使用机床设备等措施，可以降低拉刀的异常磨损和崩齿等问题的发生。当拉刀出现异常磨损和崩齿等现象时，应及时更换全套拉刀，并根据不同情况采取相应措施，避免对产品质量造成影响。

［1］刘长福，邓明.航空发动机结构分析［M］.西安：西北工业大学出版社，2006.

［2］杜劲，刘战强.夹杂物对FGH95 粉末高温合金切削加工力学特性的影响［J］.组合技术与自动化加工技术，2011（4）：19-23.

［3］航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册-发动机机械加工［M］.北京：航空工业出版社，1997.