渦輪轉子部件是航空發(fā)動(dòng)機重要的核心熱端部件之一，渦輪部件的材料必須具有高的屈服強度、拉伸強度和良好的熱穩定性，能適應高溫下可靠的工作要求。

隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機推重比的提高，粉末高溫合金材料越來(lái)越多地被采用，一方面給切削加工帶來(lái)很大的困難，無(wú)論是車(chē)削、銑削、拉削還是鉆孔，采用普通的硬質(zhì)合金刀具、高速鋼拉刀都不能滿(mǎn)足加工的需要；另一方面零件結構上突出的特點(diǎn)是形狀復雜、壁薄、剛性差、圓弧轉接多，加工時(shí)極易產(chǎn)生變形，傳統的加工工藝都是靠成型刀加工型面來(lái)進(jìn)行加工，屬于面接觸加工，加工中切削力較大，增加了零件變形的產(chǎn)生。

因此必須研究新的加工工藝和應用新型高硬度、高耐磨的刀具材料，引用高剛性、大功率的加工設備，優(yōu)化工藝路線(xiàn)，改進(jìn)傳統的加工方案，有效地控制并減少零件的加工變形，滿(mǎn)足高精度粉末冶金盤(pán)的加工需要。本課題以FGH96粉末渦輪盤(pán)為載體，重點(diǎn)從摸索粉末高溫合金材料的加工特性，優(yōu)化工藝方案、新型刀具材料切削試驗及應用，加工變形控制等方面進(jìn)行試驗與研究。

1粉末渦輪盤(pán)結構及加工工藝性分析1.1零件類(lèi)型及結構工藝性分析隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機推重比和渦輪前溫度的不斷提高，渦輪盤(pán)的應力水平越來(lái)越高，傳統的變形高溫合金材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要，而迫切要求使用具有高抗疲勞蠕變性能的粉末合金。粉末盤(pán)的出現解決了渦輪盤(pán)材料高合金化造成的凝固偏析和變形困難的問(wèn)題，提高了力學(xué)性能，而且性能波動(dòng)小。在目前的渦輪盤(pán)制造技術(shù)中，粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤(pán)最成熟、可靠的方法，國外已將粉末盤(pán)廣泛應用于多種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機的研制和生產(chǎn)中。

本課題所述粉末渦輪盤(pán)是大直徑、多型腔、結構復雜的環(huán)形薄壁盤(pán)件，尺寸多、精度高，如所示。其帶有77個(gè)縱樹(shù)形榫槽，φB、φC、φD等多處直徑配合表面，尺寸精度要求高，輪盤(pán)輻板為不等厚結構，靠多處坐標值控制輻板厚度。各型面轉接處為多圓弧與錐面轉接，要求轉接圓滑，且有輪廓度要求。在輪盤(pán)一側帶有伸臂安裝邊結構，其端面帶有弧齒。由于伸臂處安裝邊懸臂較長(cháng)，直徑方向的壁厚僅為4mm，加工中極易產(chǎn)生變形，使得安裝邊處的內腔型面加工難度增大，需要多把刀具轉接加工才能完成。輪盤(pán)上的端面弧齒是與壓氣機軸頸的連接部位，受力情況復雜，再加上材料硬度高、切削性能差等因素，零件的加工難度非常大。

1.2粉末高溫合金渦輪盤(pán)材料性能分析粉末盤(pán)采用FGH96材料制造，該材料具有較高的斷裂韌性和抗蠕變能力，其熱穩定性及綜合性能良好。

粉末（鎳基）高溫合金晶粒細小，組織均勻，無(wú)宏觀(guān)偏析，合金化成度高，抗蠕變性能高、屈服強度高，疲勞性能好，是制造高推重比發(fā)動(dòng)機渦輪盤(pán)部件的最佳材料。目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國和俄羅斯工藝各異，都居于世界領(lǐng)先地位。FGH96材料粉末盤(pán)的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)和。由材料的化學(xué)成分及性能指標可看出該材料的切削加工性如下：（1）導熱性差，導熱系數僅為普通鋼的1/41/3，加工中傳熱困難，切削溫度很高，因此切削時(shí)容易產(chǎn)生粘刀現象。

（2）熱強性好，粉末高溫合金在較高的溫度下仍具有高的物理、機械性能，切削阻力比普通鋼高35倍。

（3）材料本身有大量的強化相，加工硬化嚴重，表面硬度比基體硬度高500，容易磨損刀具，降低刀具（[url=http://www.chinaljrj.com/new_view.asp?id=365]數控刀具不斷創(chuàng )新促進(jìn)機床快速發(fā)展[/url]）的耐用度和壽命。

由于粉末高溫合金具有這些性能特點(diǎn)，所采用的刀具材料必須具有高強度、高紅硬性、良好的耐磨性好和韌性、高導熱性和強的抗粘接能力，并保持刀刃鋒利、排屑流暢。同時(shí)選用剛性好的工藝裝備（刀具、夾具和機床等）合理的切削用量（如較低的切削速度），進(jìn)給量適中，切削深度可較大，使刀尖在硬化層下工作，有利于提高刀具耐用度，加工時(shí)應保持冷卻液充分的冷卻。

2切削加工試驗粉末高溫合金在切削加工時(shí)，由于上述材料的特點(diǎn)，刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750℃1℃）下，刀具產(chǎn)生嚴重的擴散磨損和氧化磨損；加工硬化現象嚴重，已加工表面的硬化程度可達200以上。因此粉末高溫合金的切削加工性能低，切削加工困難大，通過(guò)試驗來(lái)選擇最佳的刀具的材料和優(yōu)化切削參數是十分必要的。

為了更好地摸索粉末高溫合金的切削特性，用于切削試驗的試驗件和零件的材料完全一致，均為粉末高溫合金FGH96材料。

2.1粗車(chē)加工試驗在進(jìn)行毛料的粗車(chē)加工時(shí)，去除的余量較大，切削過(guò)程中沖擊性較大，由于此時(shí)對零件的表面粗糙度及尺寸精度要求不高，考慮到加工的經(jīng)濟性，所以在粗加工時(shí)首先在國產(chǎn)刀具材料中進(jìn)行選擇。

選用YD15、YG8和M42等不同材料的刀具分別進(jìn)行切削試驗，試驗結果表明：YG8材料加工中刀具磨損嚴重，需頻繁換刀，甚至根本車(chē)不動(dòng)。

M42材料即使采用低的切削速度，也無(wú)法滿(mǎn)足加工需要，而且刀具磨損較快。YD15刀具晶粒細小，在車(chē)削過(guò)程中抗沖擊性較好，不易打刀，但切削速度較低，綜合考慮了多種因素，因此在粗加工時(shí)選用YD15材料刀具。

2.2半精車(chē)加工試驗考慮到加工質(zhì)量和加工效率，在進(jìn)行半精加工時(shí)選用進(jìn)口刀具進(jìn)行了試驗。先后選擇了陶瓷、立方氮化硼（CBN）、涂層硬質(zhì)合金及非涂層硬質(zhì)合金等材料的刀具進(jìn)行了試驗。

通過(guò)對陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具分別對粉末高溫合金試件的切削對比試驗可知：陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學(xué)穩定性?xún)?yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結特點(diǎn)，在相同切削條件下，陶瓷刀具的耐用度高于硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具，切削速度是硬質(zhì)合金刀具的45倍，更適合于粉末冶金零件的切削加工；在相同切削參數下，因為陶瓷刀具的化學(xué)穩定性較好且與試件的摩擦系數小，其加工表面粗糙度值小于涂層硬質(zhì)合金刀具。

（1）通過(guò)所選用陶瓷刀具和K類(lèi)、S類(lèi)硬質(zhì)合金刀具的切削對比試驗可知：陶瓷刀具比這2種硬質(zhì)合金刀具更適合用于鎳基粉末高溫合金的半精車(chē)加工；（2）通過(guò)所選用陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具切削力和表面粗糙度對比試驗可知：在相同切削參數下，兩者的切削力相差不多，但陶瓷刀具的加工表面粗糙度值小于硬質(zhì)合金刀具。

（3）所選陶瓷刀具的磨損形態(tài)主要是前刀面的月牙洼磨損，主要破損形態(tài)是前刀面的剝落；前刀面主要磨損機理是擴散磨損和磨粒磨損，后刀面主要磨損形態(tài)是磨粒磨損。

試驗結果表明：在一定的范圍內，隨著(zhù)進(jìn)給量的增大，加工表面的粗糙度值Ra明顯增大，而切削速度的變化對粗糙度影響不大；所以選用陶瓷刀具可進(jìn)行高速切削，且加工表面的粗糙度值明顯低于所選用硬質(zhì)合金刀具的加工表面粗糙度值。

2.3精車(chē)加工試驗精車(chē)加工時(shí)重點(diǎn)考慮到零件的加工精度和表面粗糙度的要求，選用了CBN刀片和S05F復合涂層的硬質(zhì)合金刀具。

2.3.1CBN刀片切削試驗切削用量：v=6065m/min，ap=0.20.3mm，f=0.1mm/r.

與硬質(zhì)合金相比，用CBN刀片車(chē)削粉末高溫合金時(shí)刀具磨損小，不僅加工質(zhì)量高，而且刀具壽命顯著(zhù)提高，因而將CBN刀片用于精車(chē)，加工精度可以得到保證。由于粉末高溫合金材料中的Ni、Cr、Mo、Ti和Nb等元素在一定的切削溫度作用下與CBN刀片表面有較強的親合作用，因而發(fā)生較明顯的粘結。粘結會(huì )形成刀具表面的微粒脫落，造成粘結磨損。

當切削溫度達到1000℃1刀具表面會(huì )產(chǎn)生氧化與放氮現象，過(guò)高的溫度還會(huì )產(chǎn)生CBN→HBN的轉化，使CBN刀刃失去切削能力。為此，在采用CBN刀具切削時(shí)，必須注意選擇合適的切削用量和刀具幾何參數，使切削溫度不致過(guò)高。

CBN刀具應用的前提是：機床-工件-刀具系統要有足夠動(dòng)力和良好的剛性，而且工件以及機床要能承受高切削熱和大切削力帶來(lái)諸如變形等影響。因此必須控制切削力和切削振動(dòng)。

2.3.2S05F復合涂層材料硬質(zhì)合金刀具切削試驗S05F涂層硬質(zhì)合金刀片，采用復合涂層，中間層涂層成分為：TiCN-Al2O3，表層涂層成分：MT-CVD化學(xué)涂層。

采用切削參數：v=4560m/min，ap=0.20.3mm，f=0.1mm/r.S05F復合涂層材料適用于對硬質(zhì)合金刀具鋒利切削刃的涂覆，這一點(diǎn)對粉末高溫合金加工尤為重要。該涂層刀具切削性能好，耐用度高，適合于復雜型面、型腔的半精車(chē)和精車(chē)加工。切削試驗證明，在很寬范圍運用時(shí)這種組合涂層比其他任何一種單一涂層更有效，因此，應用TiCN-Al2O3復合涂層材料的刀具，加工粉末高溫合金等難加工材料已成為應用新涂層材料硬質(zhì)合金刀具的新亮點(diǎn)。

3粉末盤(pán)的加工工藝3.1工藝路線(xiàn)安排粉末盤(pán)毛坯采用模鍛件，熱處理狀態(tài)：固溶 時(shí)效，HB≥388.根據以往加工盤(pán)類(lèi)零件的經(jīng)驗和對該盤(pán)件進(jìn)行工藝性分析，考慮到零件的結構及材料的加工特點(diǎn)等因素，制定粉末盤(pán)主要加工工藝流程如所示。

3.2加工過(guò)程中注意的問(wèn)題從中可以看出，粉末渦輪盤(pán)結構復雜，型面點(diǎn)多，最小處壁厚只有4mm.在車(chē)削加工過(guò)程中，由于從毛坯到成品有較大的加工余量，因而會(huì )產(chǎn)生較大的切削力。加上材料本身的鍛造應力的影響，零件加工中極易產(chǎn)生變形，從而造成零件尺寸難以保證，技術(shù)條件達不到設計要求。以精車(chē)加工為例，加工時(shí)首先將輪盤(pán)輻板型面的大部分余量去除，留0.10.2mm的余量時(shí)，再加工端面A、直徑B等表面。加工中發(fā)現的問(wèn)題集中體現在，將端面A、直徑φB基本加工到位，留有0.1mm左右的余量時(shí)，再加工R3端面型槽，當R3型槽加工合格后，卻發(fā)現尺寸（18.5±0.02）mm和直徑B尺寸φ298.6 0。

096mm均超出圖紙要求，說(shuō)明其變形程度已經(jīng)超出了預留的加工余量，φ298.6mm尺寸縮小，18.5mm尺寸增大。同樣精車(chē)輪盤(pán)另一側時(shí)，應先將輻板處余量去除，在加工伸臂處安裝邊外圓φD和內腔型面時(shí)，為了保證外圓尺寸公差和壁厚要求，先車(chē)外圓，留0.2mm左右的余量，然后加工型腔處，最后再精車(chē)外圓，保證圖紙要求。

針對加工中暴露出的問(wèn)題，及時(shí)調整了加工方案和優(yōu)化了加工順序和走刀軌跡，將預留的加工余量進(jìn)行了調整，并增加了精車(chē)修復工序，通過(guò)這些措施有效的減小了零件的加工變形，保證了尺寸精度和嚴格的技術(shù)要求。

3.3加工變形原因分析和控制措施3.3.1變形原因分析FGH96粉末高溫合金材料的加工難度大，以加工GH4169材料通用的YD15硬質(zhì)合金刀具為例進(jìn)行分析，加工FGH96材料其切削速度也只能達到加工GH4169材料的60，切削深度只能達到加工GH4169材料的50`，走刀量也不足GH4169材料的70，加工效率低，而且材料變形也很?chē)乐?，大約為GH4169材料變形量的35倍。這給加工帶來(lái)了極大的困難，早日摸清粉末高溫合金材料的變形原因和變形規律，采取有效的控制措施，消除或降低變形所帶來(lái)尺寸超差，是亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)近些年對高溫合金、粉末高溫合金同等材料、不同的盤(pán)件以基本一致的工藝流程進(jìn)行加工中，摸索的變形規律，說(shuō)明如下：（1）對于高溫合金、粉末高溫合金材料，加工中產(chǎn)生的變形不僅僅是機械加工中的切削應力造成的，零件的毛坯鍛件在加工過(guò)程中內應力釋放后重新達到平衡狀態(tài)同樣會(huì )引起較大的變形。內應力的釋放過(guò)程，一是時(shí)間過(guò)程，零件加工的周期越長(cháng)，內應力釋放的越充分，變形就越小，零件加工周期越短，內應力越不容易得到釋放，變形就越大。

（2）不同的材料就有不同的變形量。針對高溫合金和粉末高溫合金的機械加工，材料的去除量是造成零件變形的主要原因，切削余量大，切削應力大，零件變形隨之增加。

（3）零件加工的工藝路線(xiàn)、加工順序和走刀軌跡、刀具材料的選擇、零件的裝夾方式等工藝方案是否先進(jìn)合理，直接影響到零件的加工變形。

3.3.2控制變形的措施（1）劃分加工階段，合理分配各工序的加工余量。

針對加工余量大、加工應力集中引起變形的問(wèn)題，應優(yōu)化、細化加工工藝路線(xiàn)，合理分配各加工階段的加工余量，盡可能在粗加工時(shí)去除更多的余量，使零件盡早釋放應力。

（2）優(yōu)化、固化切削參數，在粗加工時(shí)控制切削深度不大于0.5mm，通過(guò)多次進(jìn)刀完成大余量的去除。這樣可以有效地減小加工應力，精加工留有盡可能小的加工余量，保證最終加工后應力較小。

（3）零件的型槽、型腔部位，對變形的影響很大，所以盡可能都要在精車(chē)加工前開(kāi)槽。槽的深度盡量大，寬度可以稍窄些。精加工時(shí)轉接圓角部位的加工余量也要盡量小，這對減輕零件軸向尺寸的變形非常有利。

（4）盤(pán)類(lèi)件的榫槽拉削加工后會(huì )產(chǎn)生較大的變形，一般精車(chē)加工后的所有徑向尺寸，經(jīng)拉榫槽后會(huì )普遍縮小，也會(huì )使零件各表面的形位公差值發(fā)生改變，因此應摸索變形規律，采用尺寸補償的方法或增加修復加工工序消除變形的影響。

（5）增加消除應力穩定熱處理工序。

雖然采取了一系列減小加工應力、控制加工變形的措施，但在粗車(chē)后和半精車(chē)后都要增加消除應力穩定熱處理工序，使加工中的應力得到有效釋放，這樣可以減少精加工中的變形。

（6）噴丸前后的尺寸測量及修復加工。

噴丸過(guò)程中，由于丸粒是在一定的壓力下對零件表面的撞擊作用，在零件表面層產(chǎn)生壓應力，同時(shí)噴丸強化過(guò)程中零件加工應力也會(huì )得到一定釋放，所以不可避免地會(huì )使零件產(chǎn)生變形，造成零件尺寸發(fā)生變化。為了摸索出噴丸后尺寸變化規律，在噴丸前、后要對一些重要尺寸進(jìn)行測量，安排修復加工工序，對于難以修復的重要尺寸，則需要考慮在噴丸前預留變形量等尺寸補償辦法解決變形問(wèn)題。

4粉末盤(pán)榫槽拉削4.1拉削技術(shù)要求粉末盤(pán)榫槽槽型及尺寸如所示：（1）滾棒距尺寸A1、A2偏差的差值不大于0.025mm；（2）任意兩榫槽之間F平面的高度差不大于0.025mm；（3）榫槽工作面在對稱(chēng)平面方向上的相互最大允許錯移量不大于0.02mm.

粉末盤(pán)兩側帶有安裝邊，尤其是一側伸臂處壁厚僅為4mm，使零件在夾具上定位裝夾困難，輪盤(pán)輪緣厚度較厚，拉削時(shí)拉削力大、剛性差，容易產(chǎn)生振動(dòng)，使榫槽表面產(chǎn)生波紋，降低表面質(zhì)量，因此必須設計制造專(zhuān)用拉削夾具，增加其夾具底座的剛性和耐振性，保證夾具定位正確可靠。同時(shí)該零件榫槽深度尺寸比以往加工的盤(pán)類(lèi)件榫槽要深得多，這樣必然使拉削力增大，因此設計成套拉刀時(shí)必須選擇合適的齒升量和拉削方案，通過(guò)試加工選擇確定最佳拉削速度。拉削中采用良好的冷卻潤滑液進(jìn)行充分的冷卻。

4.2拉刀材料的選擇及拉刀方案設計由于此前沒(méi)有粉末高溫合金材料的拉削經(jīng)驗，通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，采用進(jìn)口粉末高速鋼材料ASP2060制造拉刀，拉刀硬度HRC6668.

采用成套拉刀共14把，排成2排分2次拉削完成。第17把為開(kāi)槽刀，第8把粗拉齒型，第911把為粗拉齒底槽刀，第12把粗拉齒頂圓弧刀，第13把精拉槽底圓弧，第14把為精拉齒形刀。其拉削示意圖即各把拉刀的拉削余量如所示。

4.3拉刀的工藝參數拉刀材料：ASP2060（粉末高速鋼材料）。拉刀前角：15°；后角：3°。齒升量：粗開(kāi)槽刀為0.0450.06mm；粗拉齒型刀0.020.035mm；精拉槽底圓弧刀0.02mm；精拉齒形刀00.03mm.拉削方式：漸切式 全成型。

4.4使用設備采用進(jìn)口數控高速側拉床，主驅動(dòng)功率135kW，額定拉力25t，最大行程7.5mm.

4.5確定最佳拉削速度基于上述零件材料為FGH96的切削特點(diǎn)，試驗確定最佳拉削速度至關(guān)重要，考慮到現有機床行程7.5m，一套拉刀總長(cháng)10m，因此拉刀必須排2排才能完成加工。

根據以往加工GH4169材料渦輪盤(pán)的加工經(jīng)驗，同時(shí)考慮到粉末材料的難加工性，開(kāi)始時(shí)采用了1.52m/min的拉削速度，但發(fā)現拉刀磨損嚴重，每拉削7個(gè)槽就需要卸下拉刀進(jìn)行重新刃磨，經(jīng)多次拉削試驗，最后將拉削速度調整為粗拉1m/min；精拉11.5m/min，取得了良好的拉削效果。

4.6拉削中出現的問(wèn)題及改進(jìn)方案通過(guò)拉削過(guò)程中刀具的磨損情況和投影檢查結果發(fā)現影響拉削質(zhì)量和拉刀耐用度的主要因素有：（1）拉削速度。在數控高速側拉床上拉削，使用常規拉削GH4169材料的拉削速度2m/min，明顯發(fā)現拉刀磨損嚴重，榫槽表面粗糙度不好，經(jīng)多次試拉將拉削速度調整為粗拉削1m/min，精拉削1.5m/min，取得了良好的拉削效果。

（2）投影檢查小試件發(fā)現，榫槽輪廓轉接不圓滑，槽型局部有突起，經(jīng)研究確定了拉刀的修磨方案，對粗拉槽底拉刀進(jìn)行了結構和拉削方式的改進(jìn)，將原側面拉削改為頂齒拉削，同時(shí)將精拉齒型刀的齒距加大，避免了刀具的快速磨損，保證了榫槽輪廓形狀完全符合放大圖要求。

（3）在試拉削過(guò)程中，通過(guò)檢測發(fā)現輪盤(pán)輻板尺寸由于受到拉削力影響，輻板處向拉削方向產(chǎn)生了0.15mm左右的傾斜變形。通過(guò)對拉具結構方案進(jìn)行改進(jìn)，增加輔助支撐，有效地降低了拉削過(guò)程中的變形。

（4）粗拉齒底槽拉刀齒升量偏大，造成拉刀刀齒崩刃，經(jīng)重新進(jìn)行拉削試驗，改進(jìn)了拉削方式，降低齒升量，保證了拉削質(zhì)量。

（5）拉刀材料ASP2060含碳量高，拉削中發(fā)現材料脆性大，易產(chǎn)生崩齒現象，刀具材料改為T(mén)15粉末高速鋼后，拉刀壽命和耐用度提高。

5結束語(yǔ)先進(jìn)的制造技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)發(fā)展的基礎，航空事業(yè)的發(fā)展依賴(lài)于材料、設計和加工技術(shù)的共同進(jìn)步，粉末盤(pán)的研制與應用使我們的制造技術(shù)水平邁向了新的臺階。但就目前來(lái)說(shuō)，我國在粉末盤(pán)制造技術(shù)領(lǐng)域與國外相比，存在較大的差距，特別是在機械加工方面，我們要快速開(kāi)展切削技術(shù)研究工作，在消化吸收國際先進(jìn)制造技術(shù)的基礎上，結合新材料、新結構、新工藝不斷應用的實(shí)際需要，開(kāi)展工藝制造技術(shù)的創(chuàng )新和探索，開(kāi)展針對性的技術(shù)合作，大力提升制造技術(shù)水平。