涡轮盘榫槽拉削攻略.docx

_蒸窒堕蒌垒星垫三室塑i4眺&幽獬娩剐翰施嵫，g觥一4p t$#镕黼僦瓣镕辩撵嚣囊蓐嚣溺目麟#j镕涡轮盘榫槽拉削攻略中航工业南方航空工业(集团)有限公司(412000)张红丽【摘要】本文以航空发动机某机型涡轮盘榫槽拉削为例，结合航空难切削材料特性阐述了此类榫槽 的拉刀设计及使用方法。【关键词】榫槽难切削材料拉削 拉刀随着航空航天事业的迅速发展，许多新的难加工材 性，还是抗氧化性及抗热疲劳性都要求极高。目前，大 料如不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢等使用日 多数涡轮盘是采用高温合金制造的，它在具有涡轮盘所 益广泛。这些材料的拉削加工，更给拉削工艺带来一系 需的优点的同时也注定了它的难切削性，因为它导热性 列需要研究和探索的问题，也对拉刀的设计、制造及使 差，切削时有冷作硬化现象，被JJ口-E材料极易粘附在切 用提出了更高的要求。如何高效、高质地完成航机核心 削刃上而影响刀具的切削性能及使用寿命。如果说45 件涡轮盘关键工序的刀具攻关是每个航机工装设计员面 钢的加工性为100，则高温合金的相对切削加工性仅 临的首要问题，也是保证航机顺利交付的关键所在。笔 为5一20。以某机型涡轮盘为例，它采用的材料为 者通过长期对拉刀的设计及制造使用现场的跟踪，摸索 GH4169，在700高温时仍能保持高强度和高硬度，所 和总结出了几条拉削高温合金涡轮盘的实践经验，成功 以切削力大、切削温度高、冷硬现象严重，很不利于加 地解决了难切削材料榫槽拉削过程中打刀、损刀、废零 工。件的难题。(2)被加工型面的复杂性 由于涡轮盘受叶片产生1提出问题的巨大离心力的作用，盘与叶片之间大多采用枞树形型 面的连接方法，它不但形状复杂且加工质量都要求非常公司近十几年来的涡轮盘榫槽拉刀材料一直使用的严格，从而对刀具的设计及制造质量也要求很高。根据是M42高速钢，在加工过程中刀具磨损快，常出现刀齿对其槽型高的精度及粗糙度的要求，目前对涡轮盘枞树崩刃、打刀等现象，榫槽型面尺寸也很不稳定，给航机形榫槽的加工均采用拉装配交付工作带来较大的负面影响。在这期间，为提高削的方法。某机型涡轮盘刀具的使用寿命，多拉几个槽，前辈们根据多年的现场榫槽型面及其拉削方案如使用及制造经验，对榫槽拉刀组中最后一把成形精拉刀图1所示，一个榫槽要由设计尺寸在理论基础上有意地加大0005001mm，而lO把拉刀来完成，第1制造时又有意地少磨00010005mm，即使这样，一6把为粗加工去余量拉把精拉刀修磨一次也最多只能加工56个盘，而且一刀，第7一10把为精加工不小心零件就超差。成形拉刀，其中第10把2分析问题拉刀是整个拉削刀具中最图1(1)被加工材料的难切削性涡轮盘作为航空发动关键磨损也最快的一把 机主要零件之一，由于是在高温和高速旋转下工作，对刀，也是制造难度最大的一把刀，它的质量直接决定榫 其与叶片相连接的榫槽无论是强度、耐磨性、耐高温槽型面的加工质量。团!生擅型：参磊加工冷加工WWW metalworkin9195 Dcom一漱曩加邺胝以愀l蒸窒89l丕垒曼垫三童焦(3)高速拉削的辨证性每种工件材料在相同的切适用。而粉末冶金高速钢，由于是采用粉末冶炼方法制削条件下都有它最佳的切削性，因为它与加工质量、生 造的，无偏析、组织均匀的金属粉末纯洁度最高，颗粒产效率、拉刀寿命和劳动强度有直接关系。怎样去判断 细微，在高温高压下采用扩散工艺加工成组织均匀、无 拉削速度的合理性，什么样的速度才是一种工件材料的 偏析、各向同性的高速钢，它具有优良的热硬性，抗压 高速拉削速度，前人已对其做了大量系统、深入的研 强度和耐磨性。同时，粉末冶金技术赋于它极佳的韧性 究，它包括了拉削速度与表面粗糙度、拉刀使用寿命、 和机械加工性能如磨削性能等。之所以不常采用，是因 切削温度、拉削力的关系，以及不同条件下，拉削速度 为它成本太高，但在综合涡轮盘工件成本及制造成本， 对工件表面质量的影响等。他们经过试验发现：随着 它并不会比M42高多少。而采用哪一种牌号的粉末冶金 拉削速度的提高，工件表面质量不仅不会降低，反而会 呢?经过分析、调研、对比，最后选用了国内粉末冶金使工件的表面粗糙度得到改善，拉刀寿命也随之增长。 高速钢FTl5。采用FTl5材料制造的拉刀经过多次拉削表面粗糙度随着拉削速度的提高，到一定的速度以后 结果显示，它的耐磨性相对M42材料制造成的拉刀有显 就停止了这种趋势，而且当拉削速度提高超过这一限度 著的提高，在拉削某机型涡轮盘榫槽时，一把精拉刀修 时，表面粗糙度急剧恶化，拉刀磨损也加快。不同的 磨一次可拉削15件以上，从而保证了此榫槽型面尺寸 材料有各自最合适的拉削速度范围，即使是同一种材的稳定性，提高了产品的合格率。 料，当其热处理状态和金相组织不同时，拉削速度的范(2)确定拉削速度实现高速拉削一直是榫槽拉工 围也不相同。两种不同型号钛合金材料的拉削速度与表 工序所追求的，随着公司数控卧式拉床设备的引进，机 面质量之间的关系用坐标曲线描述，如图2所示。 床的刚性、精度、行程、自动化程度及最高限速都有了很大的改善，本以为拉削速度会有很大的提高，但经过| p |多种材料及工件的拉削后，发现在拉削45钢时的拉削、t。 ?I |q(呈1、恻t速度可以达到lOmmin以上，但在拉削工件材料为I|， GH4169的涡轮盘榫槽时，拉削速度只要超过4mmin，鲻值帐 刀具的磨损就随着速度的增大而磨损加剧，且拉削毛刺也翻得越厉害。经查阅机床使用参数表，发现此机床加拉削速度(mmin一)工高温合金的推荐拉削速度仅为225mmin。经多次图2现场试拉跟踪及总结，最后与工艺组确定此GH4169榫3解决问题槽的拉削速度为335mrain(粗拉35mrain，精拉 针对拉刀磨损、打刀、崩刃及型面尺寸不稳等问3mmin)。由于拉削速度越高切削温度越高，切削力越 题，笔者在以上对工件材料、榫槽型面、拉削速度分析大、冷硬化越严重，打刀、崩刃的危险系数越大，故在 的基础上，又通过对拉工现场跟踪及厂外榫槽拉削各种拉削操作指导书上明确并严禁超越此拉削速度。因这个 信息的收集调研，反复对比试验及总结，主要从以下几速度范围内的工件表面质量及刀具寿命最稳定，故可认个方面着手来解决问题。为这个速度就是此工件的高速拉削速度。 (1)改变刀具材料原有的刀具材料M42高速钢(3)降低粗拉齿升量虽然FYl5的切削性能好，虽然具有较高的高温硬度，刃磨性也很好，在切削条件 且粗拉只是去余量的过程，适当地增大齿升量不但可以 平稳的情况下，刀具寿命相对别的高速钢有显著提高的 改善加工表面质量，还可以提高生产效率，但考虑到高 优点，但它的韧性较差，在断续切削状态下容易打刀和 温合金导热性差，切削温度高，在已加工表面极易形成 崩刃。而对难切削材料诸如GH4169等高温合金，最佳 硬化层，如果齿升量过小。切削过程实际上就是刀尖圆 的切削刀具材料除M42外，还有粉末冶金高速钢、硬质 角成负值在进行刮削，对被切削金属挤压打滑，金属很合金及立方氮化硼等材料。虽然后两者切削性能更好， 难切掉，且使金属表层加剧硬化而形成鳞刺，金属表面 但由于榫槽型面复杂，从刀具制造工艺角度出发显然不 粗糙度恶化，拉刀寿命也受到影响。反之，如果齿升量参珈工_而勰栅-照窒塾丕垒曼垫三童堡I翩婚酶穆幽嘲湖制黟嘲嗡瀚徽瀚黼幽翮鞠徽嘲黝朗麟 ” 一n 辨，J 6龋弼#雹日E目目目目目EEggg目目#幽过大，每个刀齿所负担的切削厚度增大，拉削力增大过大一部分打刀、崩刃现象都与刀齿上粘附切屑使刀具切削 多，不仅对拉刀刀齿强度产生不利影响，而且被切削零失效而导致切削力过大或不均有关。虽然机床上配有刷切 件材料容易产生“撕裂”现象，造成表面粗糙度急剧恶屑的自动装置，但它只是机械动作，并不能作出是否刷干 化。所以齿升量应选择为既能超过金属冷作硬化层的深净的判断，所以在拉削过程中，对高温合金这种易粘刀的 度，使切削刃在未硬化的金属内正常地进行切削，又不难切削材料，必须增加一道人工辅助刷切屑的工作。 致超过很多(见图3)。所以改进后粗拉的齿升量由原4结语来的008mm降低到005mm，经多次拉削发现效果很榫槽因其型面及材料的特殊性，决定了它的拉削工 好，粗拉刀的使用寿命也得到很好的改善。艺的复杂性。本文针对某机型涡轮盘榫槽介绍的拉刀设 (4)改变拉计经验及使用方法有效地解决了它的拉削难题。本公司削方法在高速新研发的另一机型的涡轮盘榫槽型面尺寸没变，只是工拉削易切削材料件材料不同，结果在试拉过程中又出现了新的问题，而的工件时，一般解决办法就是对症下药，改变拉削速度或工件材料拉削采用粗拉与精拉热处理状态后问题就迎刃而解了。 一次拉削行程完图3参考文献成，但基于高温合金的拉削性能差，导热性差，粗拉完【1郑文虎难切削材料加工技术M北京：国防工业出后存在表面冷作硬化层，精拉过小的切削量容易产生刮版社，2008削挤压从而影响到型面尺寸及表面粗糙度。所以把粗拉2陈云等现代代金属切削刀具实用技术M北京：化 和精拉分开进行，即先将零件粗拉一周，然后再从第一学工业出版社，2008 个槽开始依次精拉完所有的槽。这样，既可以避