某型机高温合金盘类零件变形控制研究

宋秀峰

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）

0 引言

高温合金因在高温下具有优良性能，在航空航天领域上有着良好的应用前景。我国航空航天制造领域的技术在不断进步，高温金属在工业生产中也逐渐被应用。高温金属应用在很多高温场合，如：发动机燃烧室、锅轮机、飞机、核反应堆等。航空发动机采用的新材料、新技术较多，其制造成本高、工艺复杂、制造周期较长。目前高温合金在航空发动机领域是首选材料，因为其在高温下机械性能稳定，在航空发动机及燃气轮机等整体机中应用较多，在微型飞行器领域也有很广的应用前景。

加工变形是航空发动机高温合金薄壁盘类零件制造中的难题，目前国内航空企业对此类问题的控制还缺乏有效的方法。涡轮转子，在航空发动机零部件中起着至关重要的作用。航空发动机涡轮零件所用的材料，有高强度、高熔点，能适应高温下可靠工作的要求，其涡轮、盘环类零件的结构多样性较强，并存在不规则型面。一些零件在数控车加工中，去毛坯过程会去除较大的余量，在此过程中应力随之产生，在去除应力的过程中，零件内部的残余应力得到释放。在残余应力的影响之下，零件易产生变形，尺寸难以保证，达不到技术要求。高温合金广泛应用于涡轮部件，因含有大量的合金元素，不但有很高的常温强度，而且有很高的高温强度、热稳定性和抗疲劳性，在（600～1100）℃的氧化和燃气腐蚀条件下，材料能承受复杂的应力，可延长可靠工作期限。在承受较大的切削应力时，高温合金内部单位切削力高出45#钢50%左右；在相同的切削条件下，切削温度比45#钢高（100～400）℃；当刀具产生较强烈磨损时，会产生一定的塑性变形，致使加工表面产生硬化现象。加工过的高温合金表面往往比基体硬度高50%～100%，较高的残余应力使机械加工性能差，加工时零件产生变形。

1 某型机盘类零件变形机理

应力和形变是同时存在的。加工时零件产生形变主要是内应力造成。工件在机械加工过程中，零件的内应力主要分为两种：残余压应力和残余拉应力，由热应力引起塑性变形引起。切削时已加工过的零件表面温度很高，但里面的温度低，温度不均衡导致金属表层金相组织发生转变，热应力由里层金属阻碍表层金属体积膨胀而产生。当热应力大于材料的屈服极限，切削时表层金属就会发生压缩性形变，加工完成后，里层金属又会牵制表层金属的体积收缩，此时金属里层产生残余压应力、外层产生残余拉应力。在机械加工时会产生残余的加工应力，机械应力引起塑性变形会产生残余应力。切削时工件材料和到刀刃前方受到挤压发生压缩性形变和伸塑性变形，即将加工的表面金属在切削方向产生压缩性形变，垂直方向的形变为伸塑性变形。加工完成后表层金属受到形变里层金属的牵制而产生残余拉应力和残余压应力。

此外，加工金属表面时，已加工表面和刀具的后面会产生很大的压力和摩擦，金属表层产生拉伸塑性变形，当刀具离开金属面后，表层金属在里层金属的作用下产生残余压应力，同时里层金属也产生残余拉应力。

盘类零件毛坯与成品之间的重量差在（8～10）倍左右。加工过程中，余量大，工序复杂，会产生较大的切削力。随着毛坯余量的去除，工件本身残留的应力也随之释放出来。零件加工时间越长，内应力释放越充分，零件变形小；反之，零件变形大。

2 工艺解决措施

2.1 合理划分加工阶段、合理分配加工余量

盘类零件加工余量大，毛坯形状不均，加工中分为粗加工、半精加工、精加工3 个阶段。粗加工为半精加工去除大部分余量，确保后面需要继续加工的零件余量均匀。粗加工形变引起的形变可以通过精加工修正，但要确保精加工余量均匀。因加工精度高，精加工时易发生形变，采用合理的切削参数及工艺装备尤为重要。通常盘类零件需用超声波探伤，探伤要求单边余量＞4 mm，这样对零件总体加工余量要求8 mm 左右。为避免精加工时应力造成变形，粗加工时尽可能去除大部分加工余量，为后续加工中控制和修复、使零件尽早释放部分应力，可使其早些形变。采用粗加工后增加半精加工的方法加工零件，尽量让余量均匀。精加工时要控制零件的结构变化。

2.2 适当安排热处理工序

在粗加工和半精加工之后、精加工之前，热处理工序的合理安排极其重要。零件70%～80%的余量由粗加工和半精加工去除，致使加工应力较大。为了消除应力变形，使应力得到充分释放，在半精加工后必需增加热处理工序，必要时粗加工也可增加热处理工序。

2.3 优化工艺参数、改善切削力

车削加工主要分为直线和圆弧两种。而盘类零件大部分为回旋件，需要车削加工。根据加工类型可以按以下原则进行参数优化。

2.3.1 直线

理论上若需切削均匀则需要余量均匀、切削参数恒定。也可根据零件的刚性条件控制零件的形变。斜线走刀时，要想控制切削力的稳定性，就要控制好余量，需要根据零件的刚性确定走刀方式。

2.3.2 圆角

圆角切削主要分为凸圆和凹圆两类，切削余量、切削角度和切削力都发生很大变。加工圆角时轴向力较大，圆角处余量应尽量小，切削时进给量尽量小。在相同的切削条件下，切削凹圆弧部分时切削力会突变增大，圆弧半径与切削力突变成反比。如加工零件的凹圆弧半径为R，刀具切削半径为r。根据R 和r 的不同，选择合适的切削方式和进给速度。如图1 所示。

（1）当R≤2r 时，加工该部位时切削力骤然增大，角处刀具与零件接触面积的变化会直接影响削力的增大幅度。应先取出部分余量让其在后续加工时受力平稳，再进行半精加工和精加工，可以减小形变、提高加工质量。

（2）当2r＜R≤20r 时，因为凹圆弧部分切削力增大，为使加工过程受力平稳，应减小加工进给速度30%～50%。

图1 切削凹圆示意

（3）当20r＜R＜50r 时，加工凹圆弧时应减小进给速10%～30%，以控制切削力增大幅度、使其受力平稳，进给速度调节幅度和圆弧半径成反比。

（4）当R＞50r 时，圆弧形状对切削力的影响不大，可不调。但在加工凸圆时切削力会变小，但加工凸圆时多为过度区域，对切削力可不考虑。

高温合金连续车削宜采用硬质合金刀具，尽可能选取较小的工作正前角，切削速度较高时可以采用负前角。薄壁零件宜选用较大前角，后角应稍大些，同时背吃刀量应足够大，以避免加工表面与刀刃打滑产生亮带，一般吃刀量≥0.2 mm。，粗车时刀尖圆弧半径（0.5～1）mm，精车时（0.3～0.5）mm。通过I 级涡轮导流盘进行加工验证，确定该类零件的切削参数（表1）。

表1 常用切削参数

3 结语

高温合金材料薄壁件切削加工中极易产生变形，刀片磨损严重，耐用度极差等问题尤为突出。通过对高温合金材料高精度薄壁盘类零件车削加工过程进行分析，为控制加工形变引起的零件超差，采取相关的方案和措施。高温合金制造加工技术难度大，主要以为易发生形变，虽然采取了一系列的措施，但由于高精度薄壁盘环类零件的结构复杂效果并不理想。目前我国在发动机薄壁盘环类件制造技术领域加工形变控制方面与国外相比仍有很大的差距。