涡轮盘榫槽成型磨削加工设备及其使用方法与流程

本发明涉及一种粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽成型磨削的加工设备与磨削方法。

背景技术：

涡轮盘榫槽的加工技术是航空发动机制造的关键技术之一。由于榫槽具有材料难加工、尺寸精度高、齿型复杂等特点，目前主要采用拉削、铣削等成型加工方法。随着新一代航空发动机性能的提升，粉末冶金高温合金广泛用于制造涡轮盘，其榫槽的加工也变得更加困难，采用拉削方法加工存在的主要缺点有：经时效处理后粉末冶金高温合金的加工性能极差，导致拉刀损耗大，加工成本变高。在拉削过程中，拉削力大，拉削温度高，拉刀磨损严重，一把精拉刀仅能加工一个零件，使得加工成本很高。粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽拉削速度在120-170mm/s，加工过程中切削用量很小，通常在10-30µm之间，拉削加工过程会出现多次打刀、崩刃现象，刀具快速磨损明显，这样不仅使得拉削加工的效率低，而且加工的涡轮盘合格率也较低，造成了涡轮盘毛坯的极大浪费。另外采用拉削加工时，拉刀制造繁琐而且周期长，拉床成本也高；采用铣削方式加工时，铣刀结构复杂，而且铣刀刚度较差，加工精度难以保证。传统工艺路线已经不能适应粉末冶金高温合金材料的加工，也难以完全满足涡轮盘榫槽结构的生产需求，亟需发展新的加工工艺方法。

经查询，湖南南方通用航空发动机有限公司公开号为cn108723481a的发明专利，提出了一种涡轮盘榫槽加工方法，包括步骤：①粗拉行程，在涡轮盘坯件上沿榫齿齿顶基准线开形槽；②半精拉行程，在所述形槽侧壁预设榫齿槽位置进行切削，以形成榫齿粗槽；③精拉行程，在所述榫齿粗槽的基础上继续切削，得到榫齿槽。由此可见，上述加工方法在粗拉行程及精拉行程之间增加半精拉行程，利用半精拉行程去除部分余量行程榫齿粗槽后，再利用精拉行程去除剩余的余量行程榫齿槽，精拉刀与半精拉刀共同承担榫齿槽余量的切削，从而减小各拉刀所需切削的余量，降低拉削过程中的拉削力，避免打刀现象的发生，达到保护拉刀，延长其使用寿命，提高零件加工质量的目的。然而此专利提出的榫槽加工方法工序繁琐，在一定程度上降低了加工效率。

经查询，中国南方航空工业（集团）有限公司公开号为cn103707016的发明专利，提出了一种粉末高温合金涡轮盘榫槽的拉削加工方法。依据粉末高温合金的材料特性，对拉刀进行优化，优化拉刀的材料以提高拉刀韧性和抗磨耗性能，优化拉刀的齿升量以提高拉刀耐磨性、拉刀过程的平稳性以及加工精确性；对拉刀速度进行优化以提高加工质量和减少拉刀损耗；优化工艺路线以改善拉削性能；粉末高温合金涡轮盘以固溶态交付；粉末高温合金在固溶态下进行榫槽的拉削加工；通过热处理得到粉末高温合金涡轮盘成品。实现既改善拉削性能，又保证涡轮盘的使用要求。此专利优化了粉末高温合金涡轮盘榫槽的拉削加工工艺，然而拉削加工的速度仅为30-50mm/s，而且后续处理工序繁琐，这就存在加工效率较低的问题，很难满足涡轮盘榫槽大批量生产加工的需求。

经查询，北京航空航天大学提出了公开号为cn104148992b的发明专利，一种用于叶轮轮毂榫槽加工的磨削加工方法，步骤如下：①根据机床的结构类型和叶轮轮毂榫槽的结构形式、尺寸，确定叶轮轮毂的安装方式和在机床工作台上的安装位置；②选择榫槽的磨削加工方式，并确定杯形砂轮内、外径尺寸、沿轴向的高度及外沿磨削工作部分的形状和尺寸，保证杯形砂轮在磨削榫槽的过程中避免与叶轮轮毂的其它榫齿及轮毂特征发生干涉；③选取适合榫槽磨削加工的数控机床运动方式进行数控磨削加工程序编制，通过数控程序控制杯形砂轮的运动路径，从而形成砂轮对榫槽的磨削加工运动轨迹；④杯形砂轮在数控机床主轴的驱动下旋转，并按照数控加工程序设定的运动轨迹和选择的榫槽磨削加工方式，完成叶轮轮毂榫槽的磨削加工。此专利只提出了榫槽加工的磨削方式而没有具体阐述成型磨削榫槽结构的加工设备与加工工艺。

通过检索文献和实际调研发现，目前涡轮盘榫槽的加工主要存在以下几个问题：①现有的涡轮盘榫槽的主要加工方法（拉削、铣削等）存在着效率低、刀具寿命短、精度差的问题；②当前的磨削加工方法（平面磨削、外圆磨削和内圆磨削等）无法实现对涡轮盘榫槽的磨削加工，也即，尚未设计出涡轮盘榫槽成型磨削的专用砂轮和专用设备；③当前提出的榫槽加工方法，缺乏针对涡轮盘榫槽高效高精度的成型磨削工艺。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提出了一种粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽成型磨削加工设备与磨削方法，将传统拉削加工或铣削方式改用大尺寸的砂轮进行磨削成型加工，提高了涡轮盘榫槽加工的效率和精度。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：

一种涡轮盘榫槽成型磨削加工设备，包括，成型磨削用环形砂轮，涡轮盘用步进电机、传动装置及涡轮盘夹具；其中传动装置将涡轮盘用步进电机和涡轮盘连接，涡轮盘固定在涡轮盘夹具上；成型磨削用环形砂轮安装在机床主轴上。

所述成型磨削用环形砂轮采用超硬磨粒砂轮，例如：钎焊超硬磨粒砂轮、陶瓷结合剂超硬磨粒砂轮和电镀超硬磨粒砂轮。该涡轮盘是粉末冶金高温合金涡轮盘

成型磨削用环形砂轮采用轴对称结构，包括砂轮基体和磨削层，砂轮基体包括刀柄和磨头（可为分体式或者一体式，砂轮可为为卧式或者立式），磨削层包括磨粒和结合剂，其中磨粒可采用cbn磨粒或金刚石磨粒，结合剂可采用钎料、陶瓷或者镀层；磨削层布置在磨头上。砂轮磨头采用榫齿齿形，其该榫齿齿形与涡轮盘的榫槽相配合，磨削层设置在磨头榫齿表面。

所述砂轮基体的轮廓由砂轮零件轮廓减去磨削层厚度得到，并且其精度高于涡轮盘榫槽零件精度1~2级。

涡轮盘夹具的底座通过固定螺纹孔固定在机床工作台上，底座上设置竖向立柱，水平支撑杆设置在竖向支柱顶部。

在水平支撑杆的自由端、涡轮盘托盘的对面设置方向转换器，方向转换器上安装摇轮，摇轮上设置摇轮手柄，通过摇轮手柄带动摇轮转动，经过方向转换器后带动涡轮盘进行轴向转动。

在水平支撑杆的固定端、伸出竖直支撑杆竖向地安装方向转换器、摇轮、手柄，方向转换器通过连接垫块与水平支撑杆连接，通过摇轮手柄带动摇轮转动，经过方向转换器后带动涡轮盘进行径向转动。

涡轮盘榫槽成型磨削加工设备的使用方法，步骤如下：

步骤1，清洗代加工工件表面；

步骤2，涡轮盘榫槽成型磨削加工设备的组装；

（1）、将环形砂轮安装在机床上；

（2）、将涡轮盘用步进电机和涡轮盘通过传动装置连接，涡轮盘固定在涡轮盘托盘上；

（3）、对设备安装精度进行检测，确保涡轮盘随涡轮盘用步进电机的转动精度控制在所需范围内，使得磨削后榫槽的尺寸精度符合加工要求；

（4）、断开涡轮盘和涡轮盘托盘与方向转换器的转动连接，以便磨削过程中通过涡轮盘用步进电机对涡轮盘进行精确控制；

步骤3，装夹；通过涡轮盘夹具的底座将涡轮盘装夹在磨床工作台，并对装夹位置进行精度检测，确保位置精度为±0.01mm；

步骤4，磨削；

（5）、在磨削开始前，将环形砂轮移动到涡轮盘榫槽内，使得砂轮磨头的榫齿齿形与涡轮盘的榫槽形状对齐；

（6）、环形砂轮沿vs方向高速旋转，通过数控程序控制涡轮盘的横向进给及砂轮的磨削深度，随后沿着进给方向vw方向去除材料，通过往复磨削完成涡轮盘榫槽一侧的磨削；

（7）、而后通过编程控制涡轮盘用步进电机的步距角将涡轮盘转动所需角度，对下一个榫槽的一侧进行磨削，待磨削完整个涡轮盘榫槽的一侧后，通过水平支撑杆的固定端竖向安装的方向转换器、摇轮和摇轮手柄将涡轮盘反转180°，重复上述磨削步骤，完成涡轮盘榫槽另外一侧的磨削。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）改进了涡轮盘榫槽的成型加工方式，由拉削加工或铣削方式改用大尺寸的砂轮进行磨削成型加工，提出了涡轮盘榫槽成型磨削加工的设备与工艺，大大提高了涡轮盘榫槽加工的效率和精度。

（2）本发明所述的环形砂轮，可以根据涡轮盘榫槽优化后的结构而设计砂轮基体的结构，能够进行多种榫槽结构的加工；而且砂轮基体加工精度高于零件要求精度1~2级，可以保证砂轮具有极好的形状精度。另外，可以根据加工需求选取不同直径的磨粒，得到优异的加工表面完整性。

（3）超硬磨料砂轮无需修整，简化了磨削工序和设备投资，提高了涡轮盘榫槽磨削的综合经济效益。

附图说明：

图1为环形砂轮磨削涡轮盘榫槽示意图；

图2为环形砂轮磨削涡轮盘榫槽模型示意图；

图3为第一种实施例环形砂轮轴测图；

图4为第一种实施例环形砂轮结构的三视图：（a）主视图，（b）左视图，（c）俯视图；

图5为第二种实施例环形砂轮轴测图；

图6为第二种实施例环形砂轮结构的三视图：（a）主视图，（b）左视图，（c）俯视图；

图7为涡轮盘夹具示意图；

图8为第一种实施例涡轮盘榫槽磨削方式三视图（a）主视图，（b）左视图，（c）俯视图；

图9为第二种实施例涡轮盘榫槽磨削方式三视图（a）主视图，（b）左视图，（c）俯视图；

图10为环形砂轮磨削涡轮盘榫槽结构磨削过程示意图；

其中，1-涡轮盘用步进电机；2-传动轴；3-传动装置；4-环形砂轮；5-机床主轴；6-涡轮盘；7-涡轮盘榫槽；8-涡轮盘夹具；9-磨头；10-刀柄；11-摇轮ⅰ手柄；12-摇轮ⅰ；13-方向转换器ⅰ；14-方向转换器ⅱ；15-摇轮ⅱ；16-摇轮ⅱ手柄；17-连接垫块；18-竖直支撑杆；19-底座；20-固定螺纹孔；21-水平支撑杆；22-涡轮盘托盘。

具体实施方式：

图1是本发明所述的环形砂轮磨削涡轮盘榫槽示意图，图2为环形砂轮磨削涡轮盘榫槽模型示意图，参照图1、2所示，粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽成型磨削加工设备，传动装置3通过传动轴2将涡轮盘用步进电机1和涡轮盘6连接起来，涡轮盘6装夹在涡轮盘夹具8上；环形砂轮4安装在机床主轴5上，磨削时环形砂轮4高速旋转对涡轮盘榫槽进行磨削，磨削完成一个榫槽侧面后，涡轮盘6在涡轮盘用步进电机1的带动下旋转所需角度，进行另外一个榫槽侧面的磨削。

图3为第一种实施例环形砂轮轴测图，图4为第一种实施例环形砂轮结构的三视图，该种砂轮可用于普通卧式磨床，砂轮尺寸可根据不同磨床的使用需求进行设计；图5为第二种实施例环形砂轮轴测图，图6为第二种实施例环形砂轮结构的三视图，该种砂轮由磨头9和刀柄10两部分组成，采用一体化或可拆卸式的设计，采用一体化设计，避免了反复装卸而造成的形位误差，使得榫槽加工精度提高，采用可拆卸式设计，节约了材料，降低了砂轮的制造成本，在砂轮磨头9达到使用寿命后，可以将砂轮刀柄10拆卸后与新磨头配合使用，该种砂轮可用于立式普通铣床，砂轮刀柄10和磨头9的尺寸可根据不同铣床的使用需求进行设计。

图7为涡轮盘夹具示意图，涡轮盘夹具由摇轮ⅰ手柄11，摇轮ⅰ12，方向转换器ⅰ13，方向转换器ⅱ14，摇轮ⅱ15，摇轮ⅱ手柄16，连接垫块17，竖直支撑杆18，底座19，固定螺纹孔20，水平支撑杆21和涡轮盘托盘22组成。摇轮ⅰ手柄11、摇轮ⅰ12和方向转换器ⅰ13水平向布置；且摇轮ⅰ手柄11、摇轮ⅰ12和方向转换器ⅰ13通过连接垫块17与涡轮盘托盘22连接，实现涡轮盘6的轴向转动；摇轮ⅱ手柄16、摇轮ⅱ15和方向转换器ⅱ14竖向布置，且摇轮ⅱ手柄16、摇轮ⅱ15和方向转换器ⅱ14通过连接垫块17与水平支撑杆21连接，实现涡轮盘6沿水平支撑杆21方向的径向转动，通过轴向和径向的转动调节涡轮盘6的位置；底座通过固定螺纹孔固定在机床工作台上；图8为第一种实施例涡轮盘榫槽磨削方式三视图，该种涡轮盘榫槽的磨削方式为卧式的磨削方式，可用于卧式普通磨床。图9为第二种实施例涡轮盘榫槽磨削方式三视图，该种涡轮盘榫槽的磨削方式为立式的铣磨削方式，可用于立式普通铣床。

以下以第一种环形砂轮为例具体说明粉末冶金高温合涡轮盘榫槽结构成型磨削方法：

在本实施例中，通过采用一种卧式环形砂轮，并采用合适的磨削工艺参数，实现对涡轮盘榫槽的高效精密加工，由于采用磨削的加工方式，即以磨代切的方式，因此将需要粗加工和精加工两步完成的任务采用一步完成。具体加工步骤如下，磨削过程如图10所示：

步骤1，清洗工件表面；采用专用清洗液，如航空洗涤汽油，将待磨削的高温合金涡轮盘毛坯或者榫槽的半成品表面清洗干净，以便磨削过程中对砂轮的磨削位置进行精确定位；

步骤2，设备组装；将环形砂轮4安装在机床上，将涡轮盘用步进电机1和涡轮盘6通过传动装置3连接，粉末冶金高温合金涡轮盘6固定在涡轮盘托盘22上。对设备安装精度进行检测，确保涡轮盘6随涡轮盘用步进电机1的转动精度控制在较高范围内，使得磨削后榫槽的尺寸精度符合加工要求；断开涡轮盘6和涡轮盘托盘22与方向转换器ⅰ13的转动连接，以便磨削过程中通过涡轮盘用步进电机1对涡轮盘6进行精确控制。

步骤2，装夹；通过涡轮盘夹具8的底座19将涡轮盘6装夹在磨床工作台，并对装夹位置进行精度检测，确保位置精度为±0.01mm；

步骤3，磨削；在磨削开始前，将环形砂轮4移动到涡轮盘榫槽7内，使得砂轮磨头的榫齿齿形与涡轮盘的榫槽形状对齐，即对刀，而后环形砂轮4沿vs方向高速旋转，通过数控程序控制涡轮盘的横向进给及砂轮的磨削深度，随后沿着进给方向vw方向去除材料，通过往复磨削完成涡轮盘榫槽其中一侧（即图10中正在进行磨削的榫槽侧面）的磨削；而后通过编程控制涡轮盘用步进电机1的步距角将涡轮盘6转动一定角度，对下一个榫槽的一侧（即图10中待磨削的榫槽侧面）进行磨削，待磨削完整个涡轮盘榫槽7的一侧后，通过方向转换器ⅱ14、摇轮ⅱ15和摇轮ⅱ手柄16将涡轮盘反转180°，重复上述磨削步骤，完成涡轮盘榫槽7另外一侧的磨削，通过不断的往复磨削直至榫槽结构满足设计尺寸，进而得到粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽7的成品。

使用本发明所述的环形砂轮磨削高温合金涡轮盘榫槽，在保证加工质量满足设计要求的同时，降低了加工刀具的研发周期，可以大幅度提高加工效率，降低涡轮盘榫槽加工成本。

本实施例可以保证加工涡轮盘榫槽结构的质量满足设计要求，同时可以实现高温合金涡轮盘榫槽的粗加工与精加工。