一种镍基粉末高温合金涡轮盘表面完整性的车削加工方法与流程

1.本发明属于金属切削加工技术和高温合金技术领域，尤其涉及一种镍基粉末高温合金涡轮盘表面完整性的车削加工方法。


背景技术：

2.因镍基粉末高温合金具有优异的高温综合性能而常用于航空发动机涡轮盘的制备。通常涡轮盘件的加工主要以车削加工为主，但常温下合金强度高，在加工过程中的切削力较大，并且热导率低，加工过程中切削温度高，且不易散热，外加其加工硬化倾向大，切削较为困难，常因加工参数选取不当而使表面产生划痕、切屑瘤、深接刀痕等缺陷，严重损害合金盘件的疲劳寿命，因此如何在车削加工时保持较好的表面加工质量，是涡轮盘件车削加工时非常实际的工程问题。


技术实现要素：

3.针对以上技术问题，本发明公开了一种镍基粉末高温合金涡轮盘表面完整性的车削加工方法，可以获得高表面质量、高表面完整性的高强镍基粉末高温合金涡轮盘件。
4.对此，本发明采用的技术方案为：一种镍基粉末高温合金涡轮盘表面完整性的车削加工方法，其包括：步骤s1，选取刀具及车削参数，所述车削参数包括车削速度、车削进给量以及车削深度，所述刀具采用立方氮化硼刀具或硬质合金刀具；步骤s2，涡轮盘车削加工；步骤s3，涡轮盘车削区域接刀痕的处理；按照常规处理即可；步骤s4，表面完整性的检测。
5.其中，步骤s2中，在车削距零件最终表面 0 ~ 0.2 mm的镍基粉末高温合金时，采用硬质合金刀具，刀具前角为20
°
~ 25
°
，后角为20
°
~ 25
°
，车削速度为100 ~ 150 m/min，车削进给量为0.05~0.15mm/r，车削深度为0.05~ 0.1mm。
6.其中，选取该两种刀具的原因在于立方氮化硼刀具具有非常高的硬度，在与最终零件表面距离较大的加工面车削时，可用此刀具以提高车削效率。硬质合金刀具为高温合金常用车削刀具，可用于后续的精车以提高零件表面完整性。车削参数主要包括车削速度、车削进给量以及车削深度。
7.此技术方案结合镍基粉末高温合金的特点，通过设置刀具以及具体的车削参数，可以提高零件车削表面的完整性。
8.作为本发明的进一步改进，在车削距零件最终表面 0.2 ~ 0.5 mm的镍基粉末高温合金时，采用硬质合金刀具，刀具前角为15
°
~ 20
°
，后角为15
°
~ 20
°
，车削速度为60 ~ 100 m/min，车削进给量为0.05~ 0.15 mm/r，车削深度为0.1 ~ 0.2 mm。
9.作为本发明的进一步改进，对刀具的磨损情况进行实时监测，当磨损超过0.2 mm时，更换刀具。
10.作为本发明的进一步改进，在车削距零件最终表面 0.5 ~ 1mm的镍基粉末高温合金时，采用硬质合金刀具，刀具前角为0
°ꢀ
~ 15
°
，后角为10
°ꢀ
~ 15
°
，车削速度为40 ~ 60 m/min，车削进给量为0.15~ 0.3 mm/r，车削深度为0.2 ~ 0.4 mm。
11.作为本发明的进一步改进，在车削距零件最终表面 ≥ 1mm的镍基粉末高温合金时，采用立方氮化硼或硬质合金刀具，刀具前角为0
°ꢀ
~ 10
°
，后角为10
°ꢀ
~ 15
°
，车削速度为20 ~ 40 m/min，车削进给量为0.15~ 0.5 mm/r，车削深度为0.3 ~ 1 mm。
12.作为本发明的进一步改进，步骤s4表面完整性的检测中，检测区域为终态盘件的车削区域，包括表面形貌、硬化层、表面粗糙度和残余应力。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用本发明的技术方案，通过设置科学的控制加工刀具和车削加工参数，降低了合金盘件加工后的表面缺陷，提高了零件车削表面的完整性，填补了航空发动机新型高强镍基粉末高温合金涡轮盘车削加工研究的空白，提高盘件表面加工质量，具有非常实际的工程意义。
附图说明
14.图1为本发明实施例1中车削后涡轮盘实物图。
15.图2为本发明实施例1中车削后涡轮盘的表面微观形貌图。
16.图3为本发明实施例1中车削后涡轮盘表面径向残余应力分布图。
17.图4为本发明实施例1的车削后涡轮盘的表面残余应力模拟图。
18.图5为本发明实施例1中车削后涡轮盘表面至亚表面显微硬度分布图。
19.图6为本发明实施例2中车削后涡轮盘的表面微观形貌图。
20.图7为本发明实施例2中车削后涡轮盘表面径向残余应力分布图。
21.图8为本发明实施例2中的车削后涡轮盘的表面残余应力模拟图。
22.图9为本发明实施例2中车削后涡轮盘表面至亚表面显微硬度分布图。
23.图10为本发明实施例3中车削后涡轮盘的表面微观形貌图。
24.图11为本发明实施例3中车削后涡轮盘表面径向残余应力分布图。
25.图12为本发明实施例3中的表面残余应力模拟图。
26.图13为本发明实施例3中车削后涡轮盘表面至亚表面显微硬度分布图。
27.图14为本发明对比例1中车削后涡轮盘的表面微观形貌图。
28.图15为本发明对比例1中车削后涡轮盘表面径向残余应力分布图。
29.图16为本发明对比例1中的表面残余应力模拟图。
30.图17为本发明对比例1中车削后涡轮盘表面至亚表面显微硬度分布图。
具体实施方式
31.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
32.实施例1涡轮盘材质为自主设计的高强镍基粉末高温合金，室温显微硬度为480hv，抗拉强度1650mpa，屈服强度1320mpa，延伸率23.5%。
33.涡轮盘车削加工：主要分为四个车削步骤，每部分以距零件最终表面的距离而定。
34.距零件最终表面 ≥ 1mm时，刀具选用立方氮化硼刀具，刀具前角为5
°
，后角为10
°
，车削速度为35 m/min，车削进给量为0.5 mm/r，车削深度为0.5 mm。
35.距零件最终表面 0.5mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为10
°
，后角为15
°
，车削速度为50 m/min，车削进给量为0.3 mm/r，车削深度为0.3 mm。
36.距零件最终表面 0.2 mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为15
°
，后角20
°
，车削速度为60m/min，车削进给量为0.08 mm/r，车削深度为0.1mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
37.距零件最终表面 0 ~ 0.1mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为20
°
，后角为25
°
，车削速度为120 m/min，车削进给量为0.05mm/r，车削深度为0.05mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
38.对于涡轮盘车削区域接刀痕的处理按照常规处理。
39.表面完整性的检测：检测区域为终态盘件的车削区域，包括表面形貌、硬化层、表面粗糙度、表面残余应力。
40.车削后涡轮盘实物图如图1所示，表面形貌通过取样进行sem分析，放大倍数为100倍，检测结果如图2，可以发现加工后盘件表面基本无明显的加工痕迹，表面加工质量较好。
41.表面径向残余应力通过x射线测定，检测方式为自过涡轮盘中心的线上等间距取9个点，中间测试点为涡轮盘中心点，检测结果如附图3，可以发现其整体残余应力不大，本实施例的技术方案明显改善合金盘件的表面残余应力，使其控制在较小的范围。
42.表面残余应力的分布通过有限元模拟进行测试，其结果如图4所示，可以发现与模拟值与实测值较为吻合。
43.硬化层厚度通过车削表面至亚表面的显微硬度梯度表示，检测距离为0.5mm，检测点数为10个，各点的间距相等，为0.05mm，检测结果如图5所示，加工表面与盘件内部硬度无明显差别，基本没有加工硬化现象的发生，表明本实施例的车削加工方式可消除加工硬化，提高盘件的表面加工质量。
44.实施例2涡轮盘材质为自主设计的高强镍基粉末高温合金，目标涡轮盘如图1所示。
45.涡轮盘车削加工：主要分为四个车削步骤，每部分以距零件最终表面的距离而定。
46.距零件最终表面 ≥ 1mm时，刀具选用立方氮化硼刀具，刀具前角为5
°
，后角为10
°
，车削速度为35 m/min，车削进给量为0.5 mm/r，车削深度为0.5 mm。
47.距零件最终表面 0.5mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为10
°
，后角为15
°
，车削速度为50 m/min，车削进给量为0.3 mm/r，车削深度为0.3 mm。
48.距零件最终表面 0.2 mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为15
°
，后角20
°
，车削速度为60m/min，车削进给量为0.08 mm/r，车削深度为0.1mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
49.距零件最终表面 0 ~ 0.1mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为20
°
，后角为25
°
，车削速度为120 m/min，车削进给量为0.05mm/r，车削深度为0.05mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
50.涡轮盘车削区域接刀痕的处理按照常规处理即可。表面完整性的检测：检测区域为终态盘件的车削区域，包括表面形貌、硬化层、表面粗糙度、残余应力。
51.表面形貌通过取样进行sem分析，放大倍数为100倍，检测结果如图6所示，可见接刀痕不明显，表面加工质量较好。
52.表面径向残余应力通过x射线测定，检测方式为自过涡轮盘中心的线上等间距取9个点，中间测试点为涡轮盘中心点，检测结果如图7所示，可以发现其整体残余应力不大。
53.表面残余应力的分布通过有限元模拟进行测试，其结果如图8所示，可以发现与模拟值与实测值较为吻合。
54.硬化层厚度通过车削表面至亚表面的显微硬度梯度表示，检测距离为0.5mm，检测点数为10个，各点的间距相等，为0.05mm，检测结果如图9所示，可以发现基本没有加工硬化现象的发生。
55.实施例3涡轮盘材质为自主设计的高强镍基粉末高温合金，目标涡轮盘如图1所示。
56.涡轮盘车削加工：主要分为四个车削步骤，每部分以距零件最终表面的距离而定。
57.距零件最终表面 ≥ 1mm时，刀具选用立方氮化硼刀具，刀具前角为5
°
，后角为10
°
，车削速度为35 m/min，车削进给量为0.5 mm/r，车削深度为0.5 mm。
58.距零件最终表面 0.5mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为10
°
，后角为15
°
，车削速度为50 m/min，车削进给量为0.3 mm/r，车削深度为0.3 mm。
59.距零件最终表面 0.2 mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为15
°
，后角20
°
，车削速度为60m/min，车削进给量为0.08 mm/r，车削深度为0.1mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
60.距零件最终表面 0 ~ 0.1mm时，刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为20
°
，后角为25
°
，车削速度为120 m/min，车削进给量为0.05mm/r，车削深度为0.05mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
61.表面完整性的检测：检测区域为终态盘件的车削区域，包括表面形貌、硬化层、表面粗糙度、残余应力。
62.表面形貌通过取样进行sem分析，放大倍数为100倍，检测结果如图10所示，可见接刀痕不明显，表面加工质量较好。
63.表面径向残余应力通过x射线测定，检测方式为自过涡轮盘中心的线上等间距取9个点，中间测试点为涡轮盘中心点，检测结果如图11所示，可以发现其整体残余应力不大。
64.表面残余应力的分布通过有限元模拟进行测试，其结果如图12所示，可以发现与模拟值与实测值较为吻合。
65.硬化层厚度通过车削表面至亚表面的显微硬度梯度表示，检测距离为0.5mm，检测点数为10个，各点的间距相等，为0.05mm，检测结果如图13所示，可以发现基本没有加工硬化现象的发生。
66.对比例1为了突出本发明的优势，进一步通过对比案例加以分析，在实际加工中，高温合金涡轮盘的车削加工通常需历经粗加工
→
半精加工
→
精加工等工艺路线，为此我们选用当前通用的加工方式作为对比案例予以说明。
67.盘件粗加工刀具选用立方氮化硼刀具，刀具前角为5
°
，后角为10
°
，车削速度为20 m/min，车削进给量为0.3mm/r，车削深度为0.1mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm
则及时更换。
68.盘件半精加工刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为15
°
，后角20
°
，车削速度为30 m/min，车削进给量为0.15mm/r，车削深度为0.1mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
69.盘件精加工刀具选用硬质合金刀具，刀具前角为20
°
，后角为25
°
，车削速度为50 m/min，车削进给量为0.1mm/r，车削深度为0.08mm，刀具磨损情况实时监测，磨损超过0.2 mm则及时更换。
70.表面完整性的检测：检测区域为终态盘件的车削区域，包括表面形貌、硬化层、表面粗糙度、残余应力。
71.表面形貌通过取样进行sem分析，放大倍数为100倍，检测结果如图14所示，可以发现存在明显的车削刀痕，降低了盘件表面加工质量。
72.表面径向残余应力通过x射线测定，检测方式为自过涡轮盘中心的线上等间距取9个点，中间测试点为涡轮盘中心点，检测结果如图15所示，可以发现其整体残余应力比实施例1~实施例3的盘件残余应力值更大。
73.表面残余应力的分布通过有限元模拟进行测试，其结果如图16所示，可以发现模拟结果说明了对比案例中的盘件表面残余拉应力较大，不利于盘件服役。
74.硬化层厚度通过车削表面至亚表面的显微硬度梯度表示，检测距离为0.5mm，检测点数为10个，各点的间距相等，为0.05mm，检测结果如图17所示，可以发现盘件表面存在明显的加工硬化现象。
75.通过上述实施例和对比例的技术方案对比可见，采用本发明技术方案对车削刀具、车削参数、加工方式等方面的控制，降低了合金盘件加工后的表面缺陷，提升合金盘件的加工质量，进而优化合金寿命。
76.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。