渦輪轉(zhuǎn)子部件是航空發(fā)動機(jī)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(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn)定性，能適應(yīng)高溫下可靠的工作要求。

隨著發(fā)動機(jī)推重比的提高，粉末高溫合金材料越來越多地被采用，一方面給切削加工帶來很大的困難，無論是車削、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足加工的需要；另一方面零件結(jié)構(gòu)上突出的特點是形狀復(fù)雜、壁薄、剛性差、圓弧轉(zhuǎn)接多，加工時極易產(chǎn)生變形，傳統(tǒng)的加工工藝都是靠成型刀加工型面來進(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(yīng)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(shè)備，優(yōu)化工藝路線，改進(jìn)傳統(tǒng)的加工方案，有效地控制并減少零件的加工變形，滿足高精度粉末冶金盤的加工需要。本課題以FGH96粉末渦輪盤為載體，重點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(yīng)用，加工變形控制等方面進(jìn)行試驗與研究。

1粉末渦輪盤結(jié)構(gòu)及加工工藝性分析1.1零件類型及結(jié)構(gòu)工藝性分析隨著發(fā)動機(jī)推重比和渦輪前溫度的不斷提高，渦輪盤的應(yīng)力水平越來越高，傳統(tǒng)的變形高溫合金材料已經(jīng)不能滿足需要，而迫切要求使用具有高抗疲勞蠕變性能的粉末合金。粉末盤的出現(xiàn)解決了渦輪盤材料高合金化造成的凝固偏析和變形困難的問題，提高了力學(xué)性能，而且性能波動小。在目前的渦輪盤制造技術(shù)中，粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤最成熟、可靠的方法，國外已將粉末盤廣泛應(yīng)用于多種先進(jìn)發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)中。

本課題所述粉末渦輪盤是大直徑、多型腔、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)形薄壁盤件，尺寸多、精度高，如所示。其帶有77個縱樹形榫槽，φB、φC、φD等多處直徑配合表面，尺寸精度要求高，輪盤輻板為不等厚結(jié)構(gòu)，靠多處坐標(biāo)值控制輻板厚度。各型面轉(zhuǎn)接處為多圓弧與錐面轉(zhuǎn)接，要求轉(zhuǎn)接圓滑，且有輪廓度要求。在輪盤一側(cè)帶有伸臂安裝邊結(jié)構(gòu)，其端面帶有弧齒。由于伸臂處安裝邊懸臂較長，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(nèi)腔型面加工難度增大，需要多把刀具轉(zhuǎn)接加工才能完成。輪盤上的端面弧齒是與壓氣機(jī)軸頸的連接部位，受力情況復(fù)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材料性能分析粉末盤采用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(wěn)定性及綜合性能良好。

粉末（鎳基）高溫合金晶粒細(xì)小，組織均勻，無宏觀偏析，合金化成度高，抗蠕變性能高、屈服強(qiáng)度高，疲勞性能好，是制造高推重比發(fā)動機(jī)渦輪盤部件的最佳材料。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材料粉末盤的化學(xué)成分及力學(xué)性能見和。由材料的化學(xué)成分及性能指標(biāo)可看出該材料的切削加工性如下：（1）導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通鋼的1/41/3，加工中傳熱困難，切削溫度很高，因此切削時容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。

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

（3）材料本身有大量的強(qiáng)化相，加工硬化嚴(yán)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(shù)控刀具不斷創(chuàng)新促進(jìn)機(jī)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，所采用的刀具材料必須具有高強(qiáng)度、高紅硬性、良好的耐磨性好和韌性、高導(dǎo)熱性和強(qiáng)的抗粘接能力，并保持刀刃鋒利、排屑流暢。同時選用剛性好的工藝裝備（刀具、夾具和機(jī)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，加工時應(yīng)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，由于上述材料的特點，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(yán)重的擴(kuò)散磨損和氧化磨損；加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，已加工表面的硬化程度可達(dá)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，通過試驗來選擇最佳的刀具的材料和優(yōu)化切削參數(shù)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粗車加工試驗在進(jìn)行毛料的粗車加工時，去除的余量較大，切削過程中沖擊性較大，由于此時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(jì)性，所以在粗加工時首先在國產(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(jié)果表明：YG8材料加工中刀具磨損嚴(yán)重，需頻繁換刀，甚至根本車不動。

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

2.2半精車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(wěn)定性優(yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)特點，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(shù)下，因為陶瓷刀具的化學(xué)穩(wěn)定性較好且與試件的摩擦系數(shù)小，其加工表面粗糙度值小于涂層硬質(zhì)合金刀具。

（1）通過所選用陶瓷刀具和K類、S類硬質(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加工；（2）通過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(shù)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(jī)理是擴(kuò)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(jié)果表明：在一定的范圍內(nèi)，隨著進(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精車加工試驗精車加工時重點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(fù)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刀片車削粉末高溫合金時刀具磨損小，不僅加工質(zhì)量高，而且刀具壽命顯著提高，因而將CBN刀片用于精車，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(qiáng)的親合作用，因而發(fā)生較明顯的粘結(jié)。粘結(jié)會形成刀具表面的微粒脫落，造成粘結(jié)磨損。

當(dāng)切削溫度達(dá)到1000℃1刀具表面會產(chǎn)生氧化與放氮現(xiàn)象，過高的溫度還會產(chǎn)生CBN→HBN的轉(zhuǎn)化，使CBN刀刃失去切削能力。為此，在采用CBN刀具切削時，必須注意選擇合適的切削用量和刀具幾何參數(shù)，使切削溫度不致過高。

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

2.3.2S05F復(fù)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(fù)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(shù)：v=4560m/min，ap=0.20.3mm，f=0.1mm/r.S05F復(fù)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(fù)雜型面、型腔的半精車和精車加工。切削試驗證明，在很寬范圍運用時這種組合涂層比其他任何一種單一涂層更有效，因此，應(yīng)用TiCN-Al2O3復(fù)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(yīng)用新涂層材料硬質(zhì)合金刀具的新亮點。

3粉末盤的加工工藝3.1工藝路線安排粉末盤毛坯采用模鍛件，熱處理狀態(tài)：固溶 時效，HB≥388.根據(jù)以往加工盤類零件的經(jīng)驗和對該盤件進(jìn)行工藝性分析，考慮到零件的結(jié)構(gòu)及材料的加工特點等因素，制定粉末盤主要加工工藝流程如所示。

3.2加工過程中注意的問題從中可以看出，粉末渦輪盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型面點多，最小處壁厚只有4mm.在車削加工過程中，由于從毛坯到成品有較大的加工余量，因而會產(chǎn)生較大的切削力。加上材料本身的鍛造應(yīng)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(dá)不到設(shè)計要求。以精車加工為例，加工時首先將輪盤輻板型面的大部分余量去除，留0.10.2mm的余量時，再加工端面A、直徑B等表面。加工中發(fā)現(xiàn)的問題集中體現(xiàn)在，將端面A、直徑φB基本加工到位，留有0.1mm左右的余量時，再加工R3端面型槽，當(dāng)R3型槽加工合格后，卻發(fā)現(xiàn)尺寸（19.5±0.02）mm和直徑B尺寸φ298.6 0。

096mm均超出圖紙要求，說明其變形程度已經(jīng)超出了預(yù)留的加工余量，φ298.6mm尺寸縮小，19.5mm尺寸增大。同樣精車輪盤另一側(cè)時，應(yīng)先將輻板處余量去除，在加工伸臂處安裝邊外圓φD和內(nèi)腔型面時，為了保證外圓尺寸公差和壁厚要求，先車外圓，留0.2mm左右的余量，然后加工型腔處，最后再精車外圓，保證圖紙要求。

針對加工中暴露出的問題，及時調(diào)整了加工方案和優(yōu)化了加工順序和走刀軌跡，將預(yù)留的加工余量進(jìn)行了調(diào)整，并增加了精車修復(fù)工序，通過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(yán)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(dá)到加工GH4169材料的60，切削深度只能達(dá)到加工GH4169材料的50`，走刀量也不足GH4169材料的70，加工效率低，而且材料變形也很嚴(yán)重，大約為GH4169材料變形量的35倍。這給加工帶來了極大的困難，早日摸清粉末高溫合金材料的變形原因和變形規(guī)律，采取有效的控制措施，消除或降低變形所帶來尺寸超差，是亟待解決的問題。通過近些年對高溫合金、粉末高溫合金同等材料、不同的盤件以基本一致的工藝流程進(jìn)行加工中，摸索的變形規(guī)律，說明如下：（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(jī)械加工中的切削應(yīng)力造成的，零件的毛坯鍛件在加工過程中內(nèi)應(yīng)力釋放后重新達(dá)到平衡狀態(tài)同樣會引起較大的變形。內(nèi)應(yīng)力的釋放過程，一是時間過程，零件加工的周期越長，內(nèi)應(yīng)力釋放的越充分，變形就越小，零件加工周期越短，內(nèi)應(yīng)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(jī)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(yīng)力大，零件變形隨之增加。

（3）零件加工的工藝路線、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(yīng)力集中引起變形的問題，應(yīng)優(yōu)化、細(xì)化加工工藝路線，合理分配各加工階段的加工余量，盡可能在粗加工時去除更多的余量，使零件盡早釋放應(yīng)力。

（2）優(yōu)化、固化切削參數(shù)，在粗加工時控制切削深度不大于0.5mm，通過多次進(jìn)刀完成大余量的去除。這樣可以有效地減小加工應(yīng)力，精加工留有盡可能小的加工余量，保證最終加工后應(yīng)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加工前開槽。槽的深度盡量大，寬度可以稍窄些。精加工時轉(zhuǎn)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）盤類件的榫槽拉削加工后會產(chǎn)生較大的變形，一般精車加工后的所有徑向尺寸，經(jīng)拉榫槽后會普遍縮小，也會使零件各表面的形位公差值發(fā)生改變，因此應(yīng)摸索變形規(guī)律，采用尺寸補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ蛟黾有迯?fù)加工工序消除變形的影響。

（5）增加消除應(yīng)力穩(wěn)定熱處理工序。

雖然采取了一系列減小加工應(yīng)力、控制加工變形的措施，但在粗車后和半精車后都要增加消除應(yīng)力穩(wěn)定熱處理工序，使加工中的應(yīng)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(fù)加工。

噴丸過程中，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(yīng)力，同時噴丸強(qiáng)化過程中零件加工應(yīng)力也會得到一定釋放，所以不可避免地會使零件產(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(guī)律，在噴丸前、后要對一些重要尺寸進(jìn)行測量，安排修復(fù)加工工序，對于難以修復(fù)的重要尺寸，則需要考慮在噴丸前預(yù)留變形量等尺寸補(bǔ)償辦法解決變形問題。

4粉末盤榫槽拉削4.1拉削技術(shù)要求粉末盤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）榫槽工作面在對稱平面方向上的相互最大允許錯移量不大于0.02mm.

粉末盤兩側(cè)帶有安裝邊，尤其是一側(cè)伸臂處壁厚僅為4mm，使零件在夾具上定位裝夾困難，輪盤輪緣厚度較厚，拉削時拉削力大、剛性差，容易產(chǎn)生振動，使榫槽表面產(chǎn)生波紋，降低表面質(zhì)量，因此必須設(shè)計制造專用拉削夾具，增加其夾具底座的剛性和耐振性，保證夾具定位正確可靠。同時該零件榫槽深度尺寸比以往加工的盤類件榫槽要深得多，這樣必然使拉削力增大，因此設(shè)計成套拉刀時必須選擇合適的齒升量和拉削方案，通過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(shè)計由于此前沒有粉末高溫合金材料的拉削經(jīng)驗，通過查閱大量相關(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(shù)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(shè)備采用進(jìn)口數(shù)控高速側(cè)拉床，主驅(qū)動功率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，試驗確定最佳拉削速度至關(guān)重要，考慮到現(xiàn)有機(jī)床行程7.5m，一套拉刀總長10m，因此拉刀必須排2排才能完成加工。

根據(jù)以往加工GH4169材料渦輪盤的加工經(jīng)驗，同時考慮到粉末材料的難加工性，開始時采用了1.52m/min的拉削速度，但發(fā)現(xiàn)拉刀磨損嚴(yán)重，每拉削7個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(diào)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(xiàn)的問題及改進(jìn)方案通過拉削過程中刀具的磨損情況和投影檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(shù)控高速側(cè)拉床上拉削，使用常規(guī)拉削GH4169材料的拉削速度2m/min，明顯發(fā)現(xiàn)拉刀磨損嚴(yán)重，榫槽表面粗糙度不好，經(jīng)多次試?yán)瓕⒗魉俣日{(diào)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(xiàn)，榫槽輪廓轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和拉削方式的改進(jìn)，將原側(cè)面拉削改為頂齒拉削，同時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?yán)鬟^程中，通過檢測發(fā)現(xiàn)輪盤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。通過對拉具結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行改進(jìn)，增加輔助支撐，有效地降低了拉削過程中的變形。

（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(xiàn)材料脆性大，易產(chǎn)生崩齒現(xiàn)象，刀具材料改為T15粉末高速鋼后，拉刀壽命和耐用度提高。

5結(jié)束語先進(jìn)的制造技術(shù)是航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，航空事業(yè)的發(fā)展依賴于材料、設(shè)計和加工技術(shù)的共同進(jìn)步，粉末盤的研制與應(yīng)用使我們的制造技術(shù)水平邁向了新的臺階。但就目前來說，我國在粉末盤制造技術(shù)領(lǐng)域與國外相比，存在較大的差距，特別是在機(jī)械加工方面，我們要快速開展切削技術(shù)研究工作，在消化吸收國際先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷應(yīng)用的實際需要，開展工藝制造技術(shù)的創(chuàng)新和探索，開展針對性的技術(shù)合作，大力提升制造技術(shù)水平。