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定向合金材料渦輪工作葉片加工技術研究論文
摘要：本文介紹了某定向合金材料工作葉片加工工藝技術方法，重點闡述了定向合金材料采用機械壓緊方式進行基準轉換的方法和加工特點，對于研制過程中的關鍵及存在困難地方進行介紹和總結。對以后加工同類型的零件具有指導和借鑒意義。
論文關鍵詞：基準轉換,緩進磨削,磨削裂紋
1、前言
隨著燃氣輪機研制的不斷發展，對動力渦輪的葉片加工需求也在不斷變化。采用傳統工藝方法進行新品葉片的研制加工，逐漸顯露出一些不足。對于一些新工藝、新方法的有益嘗試，顯得越來越重要。
定向結晶高溫合金材料，是傳統的難加工材料，采用車、銑等加工方法來實現材料的去除是較為困難的。工藝上一般均采用磨削方式進行加工。磨削方式（尤其是緩進磨方式）加工的切削力較大，因此要求葉片的定位、壓緊要牢固、可靠。
由于無余量精鑄葉片的毛料基準點大都設在葉身上，為避免對定向合金材料直接壓緊而導致材料再結晶，傳統工藝路線是首先采用精密定位方式進行基準轉換，將葉身上的毛料基準轉換到規矩的定位方箱上，從而保證葉片加工時，葉片定位、壓緊的可靠性。隨著精密定位工藝的大量應用，帶來的問題也越來越多。首先，錫、鉍等金屬對高溫合金材料的性能有很大影響，如果去除不凈存在較大的隱患。其次，精密定位方法的生產效率不高，污染較重。再有，精密定位方箱的制造數量大、成本高，且方箱數量制約著零件的周轉數量。
因此，擬采用機械壓緊的方式進行基準轉換，通過工藝研究解決機械壓緊方式壓傷、壓緊穩定性等問題，進而完成機械加工的整個過程。
作者簡介：姜紹西，男，1975年生，中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司葉片加工廠。研究方向弱剛性零件機械加工。公開發表論文多篇。
2、研制加工的難點
采用機械壓緊方式進行基準轉換，進而采用轉換后的基準進行榫齒以及其它工序的加工，是定向合金材料渦輪工作葉片加工的一種新的嘗試，也同樣需要解決如基準轉換的可靠性、定位的穩定性、壓緊防壓傷等問題。本文采用機械壓緊方式進行基準轉換的穩定性，防止產生材料再結晶現象。采用葉片榫齒緩進磨成型磨削試驗，避免磨削裂紋。
3、試驗方案的確定及實施
3.1 工藝路線的制定
該葉片工藝路線主要依據有關圖紙及文件來制定。首先進行基準轉換，選擇毛料的六個定位點定位、壓緊，磨加工出基準。然后利用轉出的基準進行榫齒的磨削加工，接著以榫齒為基準進行葉片榫頭及其它部位的加工。
機加工前，首先安排固熔熱處理。機加后，進行時效熱處理等其它工序。其工藝路線如下：
毛料→磨基準→磨榫齒→磨盆、背向緣板→磨進、排氣邊緣板→磨進氣邊榫頭側面→特種工藝
3.2 基準轉換
3.2.1 設計基準及工藝轉換基準
毛料基準點選擇如圖一所示，在榫頭背向延伸段上選取A1、A2兩點，葉背型面的截面上選擇一點A3，從而構成一個平面，限制了Y軸平移和Z軸、X軸旋轉。在榫頭和葉冠側面緣板上各選取一點B4、B5點，限制了Y軸旋轉和X軸平移。而在軸向方向選取一點F6點，限制了Z軸平移。這樣葉片六個方向自由度被完全限制。
圖一毛料基準點示意圖
由于直接采用六個定位點進行定位、壓緊來加工榫齒，其機械加工的穩定性差，尤其是榫頭延伸段兩個點定位，榫齒磨削中承擔著絕大部分的壓緊力。直接壓緊可能會造成葉片壓緊變形。為此，工藝安排基準轉換，將延伸段兩個定位點轉換到榫頭緣板上，用小平面代替定位點。（見圖二）。
圖二基準轉換工藝要求
3.2.2 基準轉換工裝的設計
由于葉身A3點和F6點均在葉背上，轉換的基準只能選擇在背向緣板上。基準轉換時，只能采用以背向定位，加工背向基準這種“反定位”的方式進行。這給基準轉換的工裝設計帶來了難度。主要表現在：
1）以背向定位、盆向壓緊，反向裝夾葉片困難。
2）由于背向延伸段定位基準A1、A2點與加工面同在一個方向，需要避免加工干涉。
3）避免將延伸段兩點作為加工的主要受力點。
我們設計了基準加工的專用工裝，該工裝依然以毛料六個定位點定位、壓緊，但通過一些輔助結構巧妙的解決了上述問題。結構圖見圖三）。
圖三夾具結構圖
首先，夾具設計采用了類似正弦規的可翻轉結構，整個夾具體可沿著轉軸180°翻轉。翻轉后，以背向六點基準定位安裝葉片，壓緊壓蓋（壓蓋可翻轉），整個夾具體沿轉軸回轉180°（翻轉示意圖見圖四）。這種設計方法解決了反向裝夾葉片困難的問題。
圖四夾具體翻轉示意圖
其次，將葉背的A1、A2、A3點三點設計在一個定位板條上，定位板條為長條形狀，其寬度可將三個基準點包圍起來，同時露出被加工表面。加工時，將兩片砂輪合并，中間用砂輪墊圈分隔，砂輪墊圈厚度比基準板寬度略寬（見圖五），從而避免加工面與定位點干涉問題。
圖五夾具基準板條示意圖
夾具體整體翻轉，裝夾葉片后壓緊壓蓋，緣板壓緊塊和葉身壓緊塊對葉片緣板實現壓緊。夾具體回轉，壓緊夾具體。實際加工中，實際主要承載加工力的為緣板壓緊塊（見圖六）。不再以延伸段兩點作為加工的主要受力點。避免了榫齒磨削中造成葉片壓緊變形。
圖六夾具壓緊結構示意圖
通過對小批量試驗件進行試驗加工，加工尺寸合格且穩定，說明夾具設計能夠滿足工藝要求。
3.3磨榫齒
3.3.1 磨榫齒的要求
該工作葉片的榫頭結構見圖六。由于榫齒磨削以榫頭背向緣板小平面為基準，工序中無法將盆、背榫齒加工出的同時加工出來，只能分開單獨加工。
圖六榫齒加工技術要求
3.3.2 磨榫齒工序定位基準點的選定
為盡可能減少基準轉換造成的公差分配，減小加工難度，工藝上將磨榫齒的主要基準由背向延伸段兩點轉換到背向緣板上兩個小平面上。其余點均采用原來的設計基準。
該工藝對夾、測具的統一性要求較高，若兩者位置差異過大，會帶來基準不統一誤差，影響榫齒的加工質量。
3.3.3 加工參數的制定
砂輪：國產中華牌硅砂輪（砂輪牌號WA/PA80/100F14V35）
冷卻液：選用進口馬斯特系列產品中的水基合成液（牌號為C270）作為磨削專用冷卻液，冷卻液出口壓力為0.8Mpa。加工參數見表一。
表一加工參數表
參數
進給速度（mm/Min）
切削深度（mm）
線速度（m/s）
循環次數
粗加工
50～60
0.5
22
2
精加工
100～110
0.1
26
1
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