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[摘 要]本文介绍了高温合金的切削加工特点，详细分析了高温合金涡轮盘结构的工艺性分析及工艺方法，以此探索薄壁件的加工特性，变形特点、加工方法、加工路线、刀具选择等，以及零件变形的控制方法，为今后类似零件的工艺研究提供参考依据。
[关键词]高温合金；特点；涡轮盘；加工工艺
中图分类号：TP519 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0310-02
0.引言
涡轮转子部件是航空发动机最重要的核心热端部件之一，涡轮转子常处于高温的环境中工作，材料要具备较高的屈服强度、拉伸强度和足够的塑性储备，在足够的热稳定性中还要保证材料结构上的稳定性，能够在长时间疲劳的工作状态中依然呈现较高的强度，具有较高的拉伸强度。也就是它要有足够的耐高温强度和良好的热安定性，以及耐蚀能力。本文借助高温合金涡轮盘零件的研制，摸索薄壁件的加工特性，变形特点、加工方法、加工路线、刀具选择等，以及零件变形的控制方法。
1研究目标
涡轮盘零件呈盘状结构，加工尺寸精度高、型面复杂、零件易变形，涡轮盘零件材料多为高温合金，为了实现工作强度和耐疲劳程度，还要有较高的硬度。材料变形大，切削加工性差，粗加工去除余量大，加工困难。需要合理安排加工余量和切削参数及装夹方式，控制加工中产生的加工应力及其引起的变形量，从而最大限度的降低加工应力与变形，使零件满足设计要求。
毛坯为模锻件，经直接时效、粗加工并径超声波探伤合格后交付，盘的结构形状复杂，内外配合表面多，端面上的安装边与腹板型面之间形成窄的环状型腔，在型腔内有大的转接圆弧，加工部位开敞性差。盘的配合表面及腹板型面之间的相互位置精度要求高，所以必须研究最佳的工艺路线、确定工艺参数和选用新型高强度、高耐磨的刀具材料，引用高强度大功率的加工设备。
1.1设计要求
（1）从零件的材料上进行分析，材料为难加工材料GH4169，属于镍基高温合金，切削过程中，钼、铌、钛等金属元素使刀具产生磨损、破损等现象；而材料中的镍、铬等金属元素使切屑不易被断开，加工过程中的切削热量不易散去，零件容易被划伤，影响零件加工表面的质量；零件材料的导热性能较差，加工过程中的硬化现象比较严重，导致切削时刀具的粘接现象较为严重，使切削非常困难；随着积屑瘤的产生和消失，刀具的磨损现象严重，耐用程度很低。
（2）从设计图纸的技术条件上进行分析，对于加工余量的选择，首先不易过大，因为零件的型腔较深，若工序余量太大，会造成加工过程中的变形量大，影响零件的加工精度。其次，余量也不能太小，以防止零件变形后，由于加工余量的不足而造成的局部尺寸超差。
1.2高温合金的切削加工特点
（1）刀具磨损严重，在较高的温度下，刀具将产生严重扩散磨损和氧化磨损。
（2）加工硬化现象严重，已加工表面硬化程度可达基本硬度的1.5～2倍。
（3）切屑硬而韧，不容易折断，造成切削过程中切屑处理困难。
（4）切削力大，一般为切削钢材的1.5～2倍。
1.3高温合金切削加工中注意事项
（1）要求机床有足够的功率、刚性大的工艺系统，加工过程平稳，保持良好的工作状态。
（2）要求刀具锋利，一般情况下易选取较小正前角，较大后角，较大工作主偏角。高速钢或硬质合金刀具，都必须经过仔细刃磨，不允许任何崩刀、缺口、裂纹和毛刺。
（3）对于表面完整性要求较高的零件，特别是最终形成表面的工序，必须考虑切削过程对表面完整性的影响，如限制后刀面磨损带，及时更换刀具等。
（4）切削用量选择十分重要，一般选用较低的切削速度，较大的切削深度和中等偏小的走刀量，尽可能在加工硬化层下切削。
（5）在磨削时，宜采用较软而自砺性较好的砂轮；适当降低砂轮速度；减小径向进给；有条件时，可采用低应力磨削。
（6）在铣削高温合金时，铣刀的几何参数通常为前角γo=5°～12°，对于圆柱立铣刀可采用β=45°的大螺旋角，并尽可能采用刃倾角铣刀。要求刀齿强度好，有足够容屑空间，宜排屑，顺铣比逆铣能提高表面质量和刀具质量。
（7）高温合金的铰削可采用硬质合金铰刀，加工时充分冷却。
2涡轮盘结构的工艺性分析及工艺方法的确定
2.1零件的结构特点
高温合金涡轮盘零件的特点是外圆尺寸大，通常在φ500～700mm，辐板最薄处3.5mm左右，且形状复杂属于典型的薄壁环形件。
2.2工艺
2.2.1加工设备
该高温合金涡轮盘零件加工主要为车削及铣削。粗车、半精车多选择普通车床，精车选择数控卧车，目的是提高精加工各表面质量，减小零件变形，完成复杂型面的加工。铣加工选择在加工中心完成。
2.2.2工艺路线的确定
（1）工序安排的原则
根据高温合金的特点，保证零部件形状的稳定性，必须增加加工的工序，减小每次加工的工作量，减少零部件所承受的应力。针对加工余量大造成加工应力集中引起变形的问题，在制定工艺路线时采取了划分加工阶段，合理分配各车加工工序的加工余量的办法，工艺路线安排有粗车、半精车加工、车基准、精车、铣加工，通过合理的加工路线最大程度的减小变形，保证零件质量。在粗加工时控制进刀量，通过分层多次切削完成大余量的去除。这样有效地减小了加工应力，并且精加工留有尽可能小的加工余量，保证成品后加工应力较小。
（2）无损检测及特种工艺工序的安排
高温合金涡轮盘零件是发动机中的转动部件，其对材料冶金质量要求较为严格，无损检测及特种工艺内容比较多。根据每项不同的检测要求，应合理安排其工序。在粗加工前，安排对零件进行超声波检查工序，用于检查材料内部缺陷。在精加工前，为了检查零件近表面存在的缺陷，安排腐蝕检查。在零件最终表面，安排荧光检查。 2.2.3数控加工
（1）零件分析
高温合金涡轮盘零件型面结构复杂，尺寸精度高、形位公差要求严。且其材料为GH4169，切削加工性差。粗加工、半精加工去除余量大，加工应力引起加工变形致使零件超差现象严重。在编制程序中，根据结构尺寸，去余量时，采用多次进刀，每次去除0.2-0.3mm的余量，采用优化的数控程序，阶梯进刀方法，减少加工应力，控制零件变形且有利于排屑和断屑。在接刀部位，用圆弧进、退刀，保证接刀部位圆滑转接，保证零件的加工质量及表面粗糙度。
该高温合金涡轮盘零件加工易变形，若依靠普通设备及成形刀大余量加工圆弧转接，必然产生加工应力而引起加工变形，故本零件的精车工序采用数控车床、机夹刀具加工。去余量时，采用多次进刀，严格控制进给，减小零件变形。
（2）数控程序编制
根据零件的工艺分析及其零件结构特点等，尺寸、形位公差精度的要求严和零件材料GH4169的切削性等因素，既要确定合理可行的走刀路线、保证数控程序准确和完整，选择合理的切削参数。
下面以数控精车为例进行说明。
在编制数控程序方面，一般应考虑：根据零件的材料、结构特点、数控机床来选用合理的刀具；在强度允许的条件尽可以增加切深和速度；在余量较大时应安排粗车循环，减少工人手动上刀补出错的机会；还应考虑零件结构刚性，在走刀路线安排上尽量减少零件变形。在精车时尽量采用轮廓编程以保证尺寸和技术条件要求。
在MasterCAM中建立精车数控模型、仿真模拟走刀，检查刀具干涉情况。内外型面交替加工以减少零件变形，在接刀部位，圆弧进退刀，保证接刀部位圆滑转接。另外在MasterCAM中建立了相应的刀具库，以便自动编程时调用。
在MasterCAMlathe车削模块中刀轨的生成，一般按以下操作进行，确定MCS坐标系，选择刀具及刀具的具体参数，选择加工方法，选择加工边界，设置刀具路径产生刀位文件。
（3）刀具材料的选择
该零件的材料为GH4169。高温合金在切削加工时，切削负荷重，单位切削力可比中碳钢高50%以上；切削温度高，在相同的切削条件下，切削温度约为45钢的1.5-2倍；刀具磨损剧烈，刀具寿命明显下降，在高切削温度（750-1000℃）下，刀具产生严重的扩散磨损和氧化磨损；加工硬化现象严重，已加工表面的硬化程度可达200%-500%。因此高温合金的可切削加工性能低，车加工比较困难。考虑到该材料的化学成分应当选择耐热性好，强度及硬度高，耐磨、热导性好的刀具材料。车刀材料选用YD15硬质合金，YD15属于钨、钛、钴类硬质合金，耐磨性好，红硬性好，抗黏结，HRC在85以上。本次加工证明了该材料是加工GH4169很好的车刀材料。
3加工验证结果讨论与分析
根据加工过程中对零件变形的分析和研究，部分区域的零件变形超出了预期变形量，根据加工过程中遇到的问题对工艺策略进行了优化及改进，后续加工过程逐渐稳定，零件变形量在可控范围之内，零件实现合格交付。
4结论
本文对零件的工艺进行了详细的分析及介绍，通过对零件结构、材料特性等进行工艺分析，制定了合理的机械加工工藝路线、确定合理的装夹结构、确定了合理的机械加工余量，在加工过程中，选用合理的刀具材料、刀具结构进行加工验证，目前已完成零件的首批验证工作，为今后类似零件的工艺研究提供了参考依据。
参考文献
[1]《盘轴制造技术》透平机械现代制造技术丛书编委会编北京科学出版社2002年
[2]《现代机械制造技术》姚智慧主编，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社出版，2000年
[3]《数控机床的编程及实例》于华主编，北京：机械工业出版社出版，1996年
[4]《航空制造工程手册：金属材料切削加工》张幼侦主编，北京：航空工业出版社出版，2002年
[5]王志厚，薄壁零件加工中防止变形的措施[J].宝成技术1991（2）：20
[关键词]高温合金；特点；涡轮盘；加工工艺
中图分类号：TP519 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0310-02
0.引言
涡轮转子部件是航空发动机最重要的核心热端部件之一，涡轮转子常处于高温的环境中工作，材料要具备较高的屈服强度、拉伸强度和足够的塑性储备，在足够的热稳定性中还要保证材料结构上的稳定性，能够在长时间疲劳的工作状态中依然呈现较高的强度，具有较高的拉伸强度。也就是它要有足够的耐高温强度和良好的热安定性，以及耐蚀能力。本文借助高温合金涡轮盘零件的研制，摸索薄壁件的加工特性，变形特点、加工方法、加工路线、刀具选择等，以及零件变形的控制方法。
1研究目标
涡轮盘零件呈盘状结构，加工尺寸精度高、型面复杂、零件易变形，涡轮盘零件材料多为高温合金，为了实现工作强度和耐疲劳程度，还要有较高的硬度。材料变形大，切削加工性差，粗加工去除余量大，加工困难。需要合理安排加工余量和切削参数及装夹方式，控制加工中产生的加工应力及其引起的变形量，从而最大限度的降低加工应力与变形，使零件满足设计要求。
毛坯为模锻件，经直接时效、粗加工并径超声波探伤合格后交付，盘的结构形状复杂，内外配合表面多，端面上的安装边与腹板型面之间形成窄的环状型腔，在型腔内有大的转接圆弧，加工部位开敞性差。盘的配合表面及腹板型面之间的相互位置精度要求高，所以必须研究最佳的工艺路线、确定工艺参数和选用新型高强度、高耐磨的刀具材料，引用高强度大功率的加工设备。
1.1设计要求
（1）从零件的材料上进行分析，材料为难加工材料GH4169，属于镍基高温合金，切削过程中，钼、铌、钛等金属元素使刀具产生磨损、破损等现象；而材料中的镍、铬等金属元素使切屑不易被断开，加工过程中的切削热量不易散去，零件容易被划伤，影响零件加工表面的质量；零件材料的导热性能较差，加工过程中的硬化现象比较严重，导致切削时刀具的粘接现象较为严重，使切削非常困难；随着积屑瘤的产生和消失，刀具的磨损现象严重，耐用程度很低。
（2）从设计图纸的技术条件上进行分析，对于加工余量的选择，首先不易过大，因为零件的型腔较深，若工序余量太大，会造成加工过程中的变形量大，影响零件的加工精度。其次，余量也不能太小，以防止零件变形后，由于加工余量的不足而造成的局部尺寸超差。
1.2高温合金的切削加工特点
（1）刀具磨损严重，在较高的温度下，刀具将产生严重扩散磨损和氧化磨损。
（2）加工硬化现象严重，已加工表面硬化程度可达基本硬度的1.5～2倍。
（3）切屑硬而韧，不容易折断，造成切削过程中切屑处理困难。
（4）切削力大，一般为切削钢材的1.5～2倍。
1.3高温合金切削加工中注意事项
（1）要求机床有足够的功率、刚性大的工艺系统，加工过程平稳，保持良好的工作状态。
（2）要求刀具锋利，一般情况下易选取较小正前角，较大后角，较大工作主偏角。高速钢或硬质合金刀具，都必须经过仔细刃磨，不允许任何崩刀、缺口、裂纹和毛刺。
（3）对于表面完整性要求较高的零件，特别是最终形成表面的工序，必须考虑切削过程对表面完整性的影响，如限制后刀面磨损带，及时更换刀具等。
（4）切削用量选择十分重要，一般选用较低的切削速度，较大的切削深度和中等偏小的走刀量，尽可能在加工硬化层下切削。
（5）在磨削时，宜采用较软而自砺性较好的砂轮；适当降低砂轮速度；减小径向进给；有条件时，可采用低应力磨削。
（6）在铣削高温合金时，铣刀的几何参数通常为前角γo=5°～12°，对于圆柱立铣刀可采用β=45°的大螺旋角，并尽可能采用刃倾角铣刀。要求刀齿强度好，有足够容屑空间，宜排屑，顺铣比逆铣能提高表面质量和刀具质量。
（7）高温合金的铰削可采用硬质合金铰刀，加工时充分冷却。
2涡轮盘结构的工艺性分析及工艺方法的确定
2.1零件的结构特点
高温合金涡轮盘零件的特点是外圆尺寸大，通常在φ500～700mm，辐板最薄处3.5mm左右，且形状复杂属于典型的薄壁环形件。
2.2工艺
2.2.1加工设备
该高温合金涡轮盘零件加工主要为车削及铣削。粗车、半精车多选择普通车床，精车选择数控卧车，目的是提高精加工各表面质量，减小零件变形，完成复杂型面的加工。铣加工选择在加工中心完成。
2.2.2工艺路线的确定
（1）工序安排的原则
根据高温合金的特点，保证零部件形状的稳定性，必须增加加工的工序，减小每次加工的工作量，减少零部件所承受的应力。针对加工余量大造成加工应力集中引起变形的问题，在制定工艺路线时采取了划分加工阶段，合理分配各车加工工序的加工余量的办法，工艺路线安排有粗车、半精车加工、车基准、精车、铣加工，通过合理的加工路线最大程度的减小变形，保证零件质量。在粗加工时控制进刀量，通过分层多次切削完成大余量的去除。这样有效地减小了加工应力，并且精加工留有尽可能小的加工余量，保证成品后加工应力较小。
（2）无损检测及特种工艺工序的安排
高温合金涡轮盘零件是发动机中的转动部件，其对材料冶金质量要求较为严格，无损检测及特种工艺内容比较多。根据每项不同的检测要求，应合理安排其工序。在粗加工前，安排对零件进行超声波检查工序，用于检查材料内部缺陷。在精加工前，为了检查零件近表面存在的缺陷，安排腐蝕检查。在零件最终表面，安排荧光检查。 2.2.3数控加工
（1）零件分析
高温合金涡轮盘零件型面结构复杂，尺寸精度高、形位公差要求严。且其材料为GH4169，切削加工性差。粗加工、半精加工去除余量大，加工应力引起加工变形致使零件超差现象严重。在编制程序中，根据结构尺寸，去余量时，采用多次进刀，每次去除0.2-0.3mm的余量，采用优化的数控程序，阶梯进刀方法，减少加工应力，控制零件变形且有利于排屑和断屑。在接刀部位，用圆弧进、退刀，保证接刀部位圆滑转接，保证零件的加工质量及表面粗糙度。
该高温合金涡轮盘零件加工易变形，若依靠普通设备及成形刀大余量加工圆弧转接，必然产生加工应力而引起加工变形，故本零件的精车工序采用数控车床、机夹刀具加工。去余量时，采用多次进刀，严格控制进给，减小零件变形。
（2）数控程序编制
根据零件的工艺分析及其零件结构特点等，尺寸、形位公差精度的要求严和零件材料GH4169的切削性等因素，既要确定合理可行的走刀路线、保证数控程序准确和完整，选择合理的切削参数。
下面以数控精车为例进行说明。
在编制数控程序方面，一般应考虑：根据零件的材料、结构特点、数控机床来选用合理的刀具；在强度允许的条件尽可以增加切深和速度；在余量较大时应安排粗车循环，减少工人手动上刀补出错的机会；还应考虑零件结构刚性，在走刀路线安排上尽量减少零件变形。在精车时尽量采用轮廓编程以保证尺寸和技术条件要求。
在MasterCAM中建立精车数控模型、仿真模拟走刀，检查刀具干涉情况。内外型面交替加工以减少零件变形，在接刀部位，圆弧进退刀，保证接刀部位圆滑转接。另外在MasterCAM中建立了相应的刀具库，以便自动编程时调用。
在MasterCAMlathe车削模块中刀轨的生成，一般按以下操作进行，确定MCS坐标系，选择刀具及刀具的具体参数，选择加工方法，选择加工边界，设置刀具路径产生刀位文件。
（3）刀具材料的选择
该零件的材料为GH4169。高温合金在切削加工时，切削负荷重，单位切削力可比中碳钢高50%以上；切削温度高，在相同的切削条件下，切削温度约为45钢的1.5-2倍；刀具磨损剧烈，刀具寿命明显下降，在高切削温度（750-1000℃）下，刀具产生严重的扩散磨损和氧化磨损；加工硬化现象严重，已加工表面的硬化程度可达200%-500%。因此高温合金的可切削加工性能低，车加工比较困难。考虑到该材料的化学成分应当选择耐热性好，强度及硬度高，耐磨、热导性好的刀具材料。车刀材料选用YD15硬质合金，YD15属于钨、钛、钴类硬质合金，耐磨性好，红硬性好，抗黏结，HRC在85以上。本次加工证明了该材料是加工GH4169很好的车刀材料。
3加工验证结果讨论与分析
根据加工过程中对零件变形的分析和研究，部分区域的零件变形超出了预期变形量，根据加工过程中遇到的问题对工艺策略进行了优化及改进，后续加工过程逐渐稳定，零件变形量在可控范围之内，零件实现合格交付。
4结论
本文对零件的工艺进行了详细的分析及介绍，通过对零件结构、材料特性等进行工艺分析，制定了合理的机械加工工藝路线、确定合理的装夹结构、确定了合理的机械加工余量，在加工过程中，选用合理的刀具材料、刀具结构进行加工验证，目前已完成零件的首批验证工作，为今后类似零件的工艺研究提供了参考依据。
参考文献
[1]《盘轴制造技术》透平机械现代制造技术丛书编委会编北京科学出版社2002年
[2]《现代机械制造技术》姚智慧主编，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社出版，2000年
[3]《数控机床的编程及实例》于华主编，北京：机械工业出版社出版，1996年
[4]《航空制造工程手册：金属材料切削加工》张幼侦主编，北京：航空工业出版社出版，2002年
[5]王志厚，薄壁零件加工中防止变形的措施[J].宝成技术1991（2）：20