关键词：GH696；分段加工；叶片型面
0 引言
高温合金具有优异的热强性能，热稳定性能及热疲劳性能。现已广泛应用于航空发动机和燃气轮机。本文通过对GH696材料性能及某型燃气轮机零级可转静叶叶身结构的研究和试验，确定出合理的数控加工方法和数控加工程序，减少零件加工中的变形量，选择适用于高温合金材料加工的刀具，提高零件的加工效率，同时降低刀具的损耗。
1零件结构及工艺难点
1.1 零件结构
以某型燃气轮机零级可转静叶为例，该类叶片由上轴颈、下轴颈和叶身组成。其叶片叶型为复杂空间曲面，叶型最大厚度为4.3mm、长度为390.5 mm，最大弦宽为118.328mm，属于薄壁零件，进排气边由多段变化曲率较大的空间曲线组成，毛料为大余量模锻件，叶身余量为3mm～4.5mm之间，轴颈单边余量为2.5mm～3.5mm之间。某型燃气轮机零级可转静叶三维模型见图1。
叶身型面是气流流经表面，位置尺寸及表面粗糙度要求很高。装配时，由叶片上轴颈的定位扁确定叶型角向，通过调整曲柄的位置来调整气流大小和方向，叶片几何形状复杂，型面扭曲度大，叶型弦宽长，尺寸精度要求高，其主要结构尺寸和精度见表1。
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1.2 GH696机械加工性能
零件材料牌号为GH696，该材料在常温下的抗拉强度为900 MPa。在加工时，有以下几个特点：
1）高温强度高，加工硬化倾向大，切削塑性变形抗力大，切削负荷大；
2）导热性差，为45钢的1/2～1/5，切削温度高，热量不易散出；
3）强化元素含量高，形成金属化合物硬点，对刀具摩损强烈。
1.3 工艺难点分析
1）加工变形
该叶片的结构特点是叶片长，弦宽大，从叶尖到叶根的扭转角度大，零件整体壁厚偏薄，特别是边缘厚度最小处只有0.64mm，数控铣削加工时以上轴颈端面定位夹紧，下轴颈处用顶尖顶紧，叶身型面处于悬空状态，铣削时刚性差，导致加工变形及颤震问题严重。数控铣削加工完成后叶身变形量波动在0.3mm～0.5mm。
2）波纹度差、一致性差
因数控加工完成后叶身变形波动大，叶身需留有至少0.5mm余量以保证抛光时叶身不会由于数控加工变形而局部缺肉。然而余量过大，会导致抛光后叶身波纹度差，一致性差、部分零件抛光烧伤，上下圆台与叶身转接处质量不高及产品合格率低等问题。
3）刀具磨损
粗铣时采用Φ16球头铣刀去除余量，因叶片毛坯余量大，粗铣需为精铣去除绝大部分余量，刀具磨损快，通常一把刀具仅加工叶盆型面或叶背型面后就需要进行修磨。铣削加工中刀具逐渐磨损，导致加工过程中余量逐渐变大，即粗铣完成后叶身型面各部位余量不均匀。精加工中同样存在刀具磨损严重的问题。
2 工艺设计及试验
2.1 工艺方案设计
通过工艺方案分析，在加工大余量模锻叶片时，增加半精铣工步：粗铣→半精铣→精铣→抛光。均采用叶身型面分段铣削的方法，有效地解决零件加工中的变形量大、铣加工后余量大且不均匀、抛光过程中产生的零件变形和烧伤等问题。
根据叶片型面从叶尖至叶根扭曲较大的特点，粗铣及半精铣叶身型面时，将叶身分为3段较为平缓的截面段分段进行加工，同时采用固定轴曲面轮廓铣，即将叶身第一段截面摆放至一个较为平缓的位置，选择合适加工坐标系，使刀轴与该截面段近似垂直，加工中零件不易变形，且各部位余量均匀、一致。精加工时采用多轴螺旋铣，即四轴联动加工，此时在加工叶身型面上的每一个部位，刀具相对于加工点处于较好的切削状态，这种加工方法可同时带进排气边边缘R一次铣削成型，保证了叶身型面与进排气边余量的一致性。这也是模锻件毛坯叶片在精铣叶身型面时常采用的方法。
2.1.1 加工余量分配
粗铣时用Φ16mm球头铣刀（T1）去量后单边留有1.8mm余量，半精铣时用Φ16mm球头铣刀（T2）去量后单边留0.6mm余量，精铣后留有0.2mm余量，再进行抛光。
2.1.2 加工参数选择
通过试验，选择合适的加工参数，粗铣参数及铣削方法见表2、精铣参数及铣削方法见表3。
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2.1.3 刀具选择
根据高温合金材料切削特性，选择涂层硬质合金刀具，在刀具表面有一层很薄的TiAlN涂层，刀具锋利，适用于切削高温合金材料。
2.2 加工过程及试验结果
2.2.1 加工过程
按照通过分析制定的工艺方案，在粗铣及半精铣叶身型面时，先将叶身分为3段较为平缓的截面段分段进行加工。即叶尖段型面粗加工（固定轴曲面轮廓铣）、叶根段型面粗加工（固定轴曲面轮廓铣）、缘板粗加工（固定轴曲面轮廓铣）。精加工时采用多轴螺旋铣对叶身进行加工，并采用多轴侧刃铣对进排气边进行加工。叶尖段型面粗加工（固定轴曲面轮廓铣）见图2，叶根段型面粗加工（固定轴曲面轮廓铣）见图3，缘板粗加工（固定轴曲面轮廓铣）见图4，进排气边加工（多轴侧刃铣）见图5、精加工叶身型面（多轴螺旋铣）见图6。
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2.2.2试验结果
通过试验，每加工一件零件，仅叶身型面加工时间由30h缩短到15h，加工效率大大提高。同时，零件合格率也由66.3%提高到94.3%。刀具成本减少50%以上。每加工1件零级可转静叶刀具消耗对照见表4。
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3 结论
通过研究GH696材料加工的特点，探索叶身型面分层分段加工方法，加工加工型面时，要严格控制每次去除的余量、加工的顺序，减少抛光工序余量，以控制抛光引起的零件变形。叶身型面分层分段加工方法有如下优点：
1）分段加工，加工中零件不易变形，且各部位余量均匀、一致；
2）分层加工，且每层去除余量少，加工变形可控制在0.1mm以内；
3）每把刀去除余量较小，刀具磨损慢，加工过程中让刀情况较少；
4）抛光量少，可以保证抛光时保证零件的一致性，避免抛光过程中不会出现零件烧伤。
参考文献：
[1]陈艳芳,高温合金叶片铣削加工工艺研究[M] .硅谷,2013.
[2]倪为国,铣削刀具技术及应用实例[M].化学工业出版社2007.
作者简介：
陈 伟（1986-），男，甘肃庄浪，工程师，从事航空发动机、燃气轮机制造工艺工作.
论文作者:陈伟, 周敏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期
论文发表时间:2020/1/15
标签：加工论文; 余量论文; 零件论文; 刀具论文; 叶片论文; 轴颈论文; 曲面论文; 《科学与技术》2019年17期论文;