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钛合金材料叶片双圆弧榫头成型磨削加工技术研究

时间:2016-01-02 11:43 来源:第一论文网 作者:论文网 点击:
本文介绍了钛合金材料叶片双圆弧榫头的成型磨削加工方法。重点阐述了钛合金材料的材料特性,加工工艺路线的特点,设计的专用工装和专用成型滚轮,以及磨削加工试验等内容,总结了钛合金材料成型磨削加工圆弧榫头的一些成功经验,对钛合金材料的加工具有指导意义。
  1、前言

   钛合金材料双圆弧燕尾形榫头的加工,传统工艺是一直采用数控编程方法进行车削。该方法将叶片在整体盘定位后浇注固定,之后进行整盘组合车削。该方法能够保证叶片的设计要求,但在浇注的工装制造和修理、圆弧榫头齿形精度保证、齿形检测以及加工操作方面难度较高,而且由于整台加工,整台叶片超差或报废的风险较大。

   采用数控强力磨削可实现单件成型磨削,是国际上普遍采用的方法,该方法工装结构简单,采用成型金刚石滚轮可实现齿形精度的保证,检测手段简单,易于操作,残余应力为压应力,应力状态好。
   采用成型磨削的方法进行钛合金圆弧榫头加工的难点是容易产生磨削烧伤和腐蚀麻点。随着钛合金叶片叶身抛光试验的进行,选择适当材料的砂轮和适合的加工参数可有效解决钛合金表面抛光产生烧伤和腐蚀麻点等问题。因此,本次试验拟通过对设备冷却方式的改变、多种磨料及加工参数的试验,来实现钛合金材料双圆弧燕尾形榫头的加工,为钛合金圆弧榫头成型磨削提供经验。

   2、圆弧榫头的结构、材料特性及加工可行性分析

   2.1榫头的结构及设计要求
   试验选择的叶片榫头为径向双圆弧结构,盆、背齿形为非对称形式,磨削加工时要保证齿形精度、齿形角度及各个圆弧R尺寸。其结构简图如图一所示。
   图一双圆弧榫头结构简图
   2.2钛合金材料的加工特性
   钛合金材料属于我们传统意义上的难加工材料,尤其对于磨削加工,极易产生烧伤现象,经腐蚀出现麻坑或麻点,达不到设计使用要求。

   3、试验加工过程

   3.1工艺路线的制定
   试验加工的工艺路线为:
   浇注合金块磨榫头荧光检查榫头叶身型面加工……
   为便于工装的制造和磨削试验的调整,该工艺路线将叶片的毛料基准通过浇注低熔点合金转换到方盒上。
   3.2专用工装的设计
   为保证磨削加工的位置精度,榫头磨削前采用低熔点合金进行浇注,完成基准转换,因此磨削加工所需的工装设计和制造上相对比较简单,夹具简图如图二所示。其中夹具设计时,将转接圆盘的中心与叶片的理论中心线重合,这样便于加工时零件中心的找正。转接圆盘上应预留与快速定位装置配合的连接孔。
  
   图二磨齿工装图
   3.3磨齿夹具与快换底座的连接
   磨齿夹具是通过快速定位装置来实现与机床的连接。快速定位装置由两部分组成,一部分与磨齿夹具相连,一部分在机床工作台上固定。两部分通过四个呈90°的楔型齿和楔型槽相互配合,实现磨齿夹具在机床上的定位、固定和180°翻转。快速定位装置简图如图三。

   快速定位装置采用瑞士EROWA公司的产品,该产品重复定位精度高,确保了快换后良好的定位,保证手工翻转叶片后榫齿加工的一致性。
  
   图三快换装置简图
   3.4成型金刚石滚轮的设计
   为了保证榫头尺寸一致性,以及磨削后叶片双圆弧榫头工作面母线直线度达到较好状态(0.005mm以下)。采用金刚石滚轮来保证砂轮形状精度。金刚石滚轮设计图如图四所示:
  
   图四滚轮设计图
   3.5试验加工
   3.5.1初步试验
   采用国产白鸽牌碳化硅砂轮(砂轮牌号GC80F5V35)进行试验;选用进口马斯特系列产品中的水基合成液(牌号为C270)作为磨削专用冷却液。按下表中三种加工参数进行加工。
   按照既定的三种参数加工见表一,磨削表面较光洁,有轻微烧伤现象:
   表一加工参数表
  

参数

进给速度(mm/Min)

切削深度(mm)

线速度(m/s)

1

30

0.5

25

2

40

0.8

25

3

50

1

28


进一步进行腐蚀检查,叶片榫头局部可见腐蚀麻点,参数1的腐蚀麻点较其它两个参数程度轻、数量少。
针对腐蚀麻点问题,重新对问题机理进行了细致的分析。缓进磨加工选用的砂轮为大气孔砂轮,可存储大量的冷却液。针对该特点,缓进磨一种冷却方式的原理是将高压冷却液(不低于40Bar)冲刷到砂轮的大气孔中,靠砂轮高速旋转将冷却液甩到零件的磨削区域进行冷却,该冷却方式见图五所示。

试验选取的试验砂轮由于安全线速度为35m/s,所以最高转速不能超过3000转/分钟。由于转速限制,零件磨削区域获得冷却液压力不能满足钛合金零件的冷却需求,从而造成切削热过大,表现为零件磨削烧伤,经腐蚀后出现麻点和麻坑。

图五冷却方式说明简图
3.5.2改变加工参数进行的试验
通常解决磨削烧伤可采用两种方法。一是改变加工参数;另外一种是提高系统冷却能力。
首先采用改变参数的方法进行试验,试验时适当减少单次切削量来进行试验:试验结果显示:当单次切削量小于0.05mm,进给速度在40~120mm/min范围时,目视检查磨削表面没有烧伤,经腐蚀检查,未见腐蚀麻点。当单次切削量大于0.1mm以上,进给速度则只能在10~30mm/min范围内,才能避免磨削烧伤。

经进一步试验:使用表一给定的参数进行试验产生的磨削烧伤,深度较浅,在烧伤表面直接去除0.1mm后,可完全去除腐蚀后的麻点和麻坑。因此,根据该试验结果,确定采用粗加工+半精加工+精加工的方法来制定加工参数,保证磨削后不产生磨削烧伤和腐蚀麻点现象。

具体方法如下:根据加工余量(约6mm)来分配加工参数,粗加工采用6次循环,给半精加工、精加工预留0.1mm以上余量,最后采用半精、精加工去除剩余余量,同时保证去除粗加工产生的烧伤。加工后的表面经腐蚀检查未发现烧伤和麻坑现象。其加工参数如下表二:
   表二加工参数表
  

参数

进给速度(mm/min)

切削深度(mm)

线速度(m/s)

循环次数

粗加工

40

0.8~1

25

6

半精加工

100

0.05

28

2

精加工

120

0.02

30

1

试验结果表明:适当调整加工参数能够完成钛合金叶片圆弧齿的加工,在榫齿上没有出现烧伤现象,且加工几何尺寸满足图纸要求。

   3.5.3改变冷却方式进行的试验
   缓进磨另外一种冷却方式是直接冷却法。该方式是将冷却喷嘴的方向直接对准零件的加工区域进行冷却。该方式的冷却效果更加直接有效。但缺点是由于没有对砂轮进行冲刷,砂轮气孔中容纳的切屑影响零件的表面质量。需要在精加工前加大砂轮的修整量来保证零件的表面质量。该冷却方式简图见图六。
  
   图六直接冷却方式简图
   采用直接冷却法并选择表二中的加工参数进行试验。加工后的表面经腐蚀检查未发现烧伤和麻坑现象。说明采用直接冷却法同样能够满足加工需求。
   为了验证直接冷却法能够进一步提高加工效率,我们有进一步进行了几组试验。在保证产品质量的同时,选择表三的参数,可相对提高加工效率30%,加工后的表面经腐蚀检查未发现烧伤和麻坑现象。说明冷却方式的改变对加工表面烧伤现象有着较大的影响。直接冷却法在使用现有国产砂轮的条件下,对改善加工表面质量更有帮助。
   表三加工参数表
  

参数

进给速度(mm/min)

切削深度(mm)

线速度(m/s)

循环次数

粗加工

40~50

1.4~1.5

25~26

4

精加工

120~150

0.05

28~30

2

3.5.4应力分析
   对于经磨削加工后的叶片,进行了应力检测。检测结果见表四。
   表四残余应力值(MPa)
  

件1

第一点

-107.16

第二点

-127.40

第三点

-111.71

件2

第一点

-108.35

第二点

-146.54

第三点

-124.15


经应力检查:磨削加工表面残余应力状态为压应力,应力状态较好。

4、结论

根据攻关试验和应力检测结果,我们得出如下结论:
1、钛合金材料工作叶片双圆弧榫头的成型磨削加工是可行的。
2、选择碳化硅砂轮、选择合适的加工参数、采用直接冷却法进行加工,能够有效避免产生磨削烧伤和腐蚀麻点。
3、成型金刚石滚轮能够保证榫头尺寸的稳定性,零件尺寸合格,一致性好。成型金刚石滚轮寿命长,送检频率低,方法简单迅速、质量稳定可靠。由于是单件加工,可有效降低风险系数。
4、采用EROWA工具系统可实现装夹的快速切换,重复精度能够保证加工要求。
5、磨削加工表面残余应力状态为压应力,应力状态较好。


参考文献
1 郭文有.航空发动机叶片机加加工工艺.国防工业出版社.1994.


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