一种钛合金材质整体叶盘的加工方法及其应用与流程

1.本技术涉及机械加工技术领域，b23c3/00，具体涉及一种钛合金材质整体叶盘的加工方法及其应用。


背景技术：

2.目前我国航空发动机整体叶盘的加工制造技术中存在许多的难点，这些难点主要集中在叶片的复杂型面、较高的加工精度和表面质量要求等。钛合金在航空发动机中主要用于制造风扇和压气机盘、叶片、机匣等零件，以及各种类型的紧固件，其使用量在航空航天工业中超过70％，用钛合金代替结构钢，可以实现减轻零件重量约30％；对于钛合金材质的整体叶盘，其外廓尺寸一般在500mm～1000mm之间，叶片数量多、尺寸长、刚性弱、弯扭大、叶型截面前后缘半径小，材料切削困难，加工中极易出现变形、让刀、裂纹等问题，降低了加工效果和叶盘使用寿命。手工抛修更多依赖操作者的技能和经验，不仅效率不高，而且零件质量稳定性与一致性难以保证；实现高效、精密、叶面光滑的切削，便成为国内外叶盘制造业十分关切的课题，为此，本技术研究了钛合金材质整体叶盘的加工工艺。
3.cn108717494a公开了一种面向多目标的钛合金整体叶盘侧铣加工切削参数优化方法，方法中先确定合理的切削参数范围，完成侧铣正交实验，收集实验数据，之后建立侧铣切削参数优化多目标模型再基于gamultiobj函数对多目标模型进行求解，实现切削参数的优化；以解决钛合金整体叶盘侧铣加工中切削力和工件表面粗糙度大、加工效率低的问题，虽然该方法精度高，但是其中涉及到多个定位点的确定及大量的函数算法，不便于实际操作。
4.cn101912990b公开了一种整体叶盘铣削减振方法，该方法中填充结晶石蜡、液体蜡、松香树脂、受阻酚类抗氧剂的熔融混合物以消除铣削时在叶片叶尖部位产生的颤纹，降低叶片表面的粗糙度，但是灌蜡工艺繁琐，使得叶盘的加工效率较低，同时去除的蜡进入机床内部后，易对机床产生一定的损害。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，本技术提供了一种钛合金材质整体叶盘的加工方法，其加工步骤为：
6.s1.切铣；
7.s2.激光强化；
8.s3.振动光饰。
9.传统钛合金材质整体叶盘加工工艺主要采用“粗铣
→
去应力热处理
→
减振填充
→
修基准
→
修基准孔
→
半精铣
→
二次减振填充
→
精铣
→
手工抛光
→
振动光饰
→
叶片激光强化
→
叶片喷丸”的方式，此工艺路线耗时复杂，并且过程中牵涉到很多次的定位，增加了整个过程的定位误差值，其次，过程中采用减振填充物进行减振，极易导致精铣过程中叶片跑偏、让刀严重、加工轮廓不流畅等问题，手工抛光操作效率不高，很难把握零件的一致性，且
加工效率也不高；本方案中采用切铣
→
激光强化
→
振动光饰的工艺步骤，通过控制切铣、激光强化、振动光饰过程的工艺参数，平衡了钛合金材质整体叶盘的加工精度和应力变形的问题，简化了传统工艺，并提高了钛合金材质整体叶盘的加工质量。
10.进一步地，其加工步骤为：
11.s1.切铣：粗削、半精铣、精铣；
12.s2.激光强化：激光冲击能量为20-25j，光斑直径为1-3mm；
13.s3.振动光饰：使用磨料和振动光饰液振动打磨钛合金材质整体叶盘。
14.进一步地，步骤s1中粗削对叶盘开排气孔和流道槽，铣刀转速为3500-4500r/min，给进速度为350-450mm/min。
15.进一步地，步骤s1中铣刀切深为0.8-1.0mm，加工余量为1.0-1.2mm，控制切深和加工余量参数以抑制在叶盘叶片上由于加工振颤导致的表面振纹的产生。
16.进一步地，步骤s1中半精铣的铣刀转速为5000-6800r/min，给进速度为1100-1400mm/min，铣刀切深为0.5-0.8mm，加工余量为0.4-0.6mm。
17.在一种优选的实施方案中，半精铣的铣刀转速为6000r/min，给进速度为1250mm/min，铣刀切深为0.65mm，加工余量为0.5mm，此参数制备的叶盘叶片横向残余应力最小，加工效率最高。在高速转动下提高铣刀切深，以降低对铣刀头部的损伤；对于保留余量，推测是当半精铣中叶片保留余量过小时，不仅提高了后续精铣的加工难度，也容易使叶盘叶片的表面产生硬化，但当保留余量过大时，对叶盘的加工效率不高，容易加重在加工过程中由于切削力、内应力等引起的变形问题。
18.进一步地，步骤s1中精铣的铣刀转速为7000-8000r/min，给进速度为5500-7500mm/min，铣刀切深为0.1-0.2mm，加工余量为0.15-0.2mm。
19.进一步地，半精铣和精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根，这种方式中未切铣的叶盘中心及叶盘叶片中、根部可以起到一定的支撑作用，以更好地稳定加工零件，减小加工过程中由于震颤而导致的叶盘叶片尖部变形程度。
20.激光强化技术利用高能激光诱导的冲击波压力进行材料表面改性，有效改善了材料近表面的应力分布和微观结构，从而有效延缓裂纹扩展速度，提高金属部件的疲劳寿命；利用激光强化技术对切铣过的钛合金材质整体叶盘进行表面处理，降低叶盘形变，弥补可能的裂纹，延长叶盘使用寿命。
21.进一步地，步骤s2中激光强化的光斑搭接率为6％-10％，激光冲击次数为1-3次。
22.在一种优选的实施方式中，当步骤s2激光能量为23j，光斑直径为2.0mm，光斑搭接率为8.0％，冲击2次时，所加工的叶盘叶片前缘的横向残余应力最小；推测是提高激光能量和冲击次数可提高强化效率，但激光能量过大时容易使叶盘表面产生烧灼，变形加大，甚至会造成叶盘报废，而冲击次数过多时，叶盘粗糙度会变大。
23.振动光饰是一种表面光整加工工艺，借助磨料与零件的摩擦切割效应来实现对零件毛刺的去除，不仅可用于去除零件的表面粗糙度，而且加工余量去除均匀，还可改善应力分布，提高零件抗疲劳强度。
24.进一步地，步骤s3中振动光饰时间为2-8h，振动频率为45-60hz。
25.进一步地，步骤s3中振动光饰所用磨料为陶瓷介质、棕刚玉、白刚玉、碳化硅、陶瓷
中的一种或几种。
26.进一步地，步骤s3中磨料形状为三角形、圆锥形、圆柱形、球形中的一种。
27.在一种优选的实施方式中，本技术发现当磨料采用圆锥形陶瓷介质，振动频率为50hz，振动时间为5h时，所加工的叶盘表面粗糙度可低于0.2μm，表面残余应力也最小；推测是圆锥形磨料在一定程度上与叶盘的摩擦接触面积更大一些，分散受力更多，避免了划痕的产生并降低叶盘叶片残余应力；当振动频率较高时，采用斜三角、圆柱体等具有尖锐部分的磨料会造成叶盘叶片表面的划伤，对于球形磨料，其与叶盘相对摩擦运动时接触部分仅为一个受力点，极易引起叶盘叶片的表面划痕。
28.进一步地，步骤s3中振动光饰液组分为：醇醚硫酸盐、硼酸、十二烷基苯磺酸钠、碳酸钠、去离子水。
29.进一步地，步骤s3中振动光饰液组分为：醇醚硫酸盐10-15份、硼酸3-6份、十二烷基苯磺酸钠3-5份、碳酸钠5-10份、去离子水补充总量为100份。当醇醚硫酸盐和十二烷基苯磺酸钠被吸附在钛合金材质整体叶盘表面上后会形成定向排列的吸附渗透层，利用两者的协同作用降低界面的自由能，增强叶盘表面的润湿性能并增加其抗极压性，更好地保护叶盘在光饰振动中不受磨料划伤；碳酸钠作为溶液缓冲剂，不仅可调节溶液的酸碱度，还具有络合作用，在振动光饰过程中，节省洗涤活性物质并防止基体上留下污垢和残集物。
30.优选地，步骤s3中振动光饰液组分为：醇醚硫酸盐13份、硼酸5份、十二烷基苯磺酸钠4份、碳酸钠7份、去离子水71份。
31.有益效果：
32.1.本技术通过采用切铣
→
激光强化
→
振动光饰的方法，简化了传统的叶盘加工工艺，提高了叶盘的加工效率及加工精度，可应用于钛合金材质整体叶盘加工制造，通过以上方法制备的钛合金材质整体叶盘由于其优异的抗疲劳性能和表面光洁度可用于航空飞机发动机中。
33.2.本技术中限定切铣过程中粗铣、半精铣及精铣的铣刀转速、给进速度、切深及加工余量，减弱了叶盘加工过程中因切削力、内应力所引起的变形或裂纹问题，降低了所加工叶盘的疲劳强度，延长了叶盘的使用寿命。
34.3.本技术调节振动光饰时间和振动频率，通过影响叶盘在振动光饰机内的翻转平衡其加工效率和加工效果，更好地降低了叶盘的表面粗糙度。
35.4.本技术的振动光饰中通过利用醇醚硫酸盐、十二烷基苯磺酸钠、碳酸钠复配振动光饰液，利用三者的协同作用降低界面的自由能，增强叶盘表面的润湿性能并增加其抗极压性，更好地保护叶盘在光饰振动中不受磨料划伤，提高了叶盘表面加工光洁度。
具体实施方式
36.实施例
37.实施例1
38.一种钛合金材质整体叶盘的加工方法，其加工步骤为：
39.s1.切铣：
40.(1)通过车床完成对叶盘的装夹定位，粗削对叶盘开排气孔和流道槽，所用硬质合金锥形球头铣刀，铣刀转速为4000r/min，给进速度为400mm/min，铣刀切深为1.0mm，加工余
量为1.1mm；
41.(2)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行半精铣，半精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；半精铣的铣刀转速为6000r/min，给进速度为1250mm/min，铣刀切深为0.65mm，加工余量为0.5mm；
42.(3)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行精铣，精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；精铣的铣刀转速为7500r/min，给进速度为6000mm/min，铣刀切深0.15mm，加工余量为0.2mm。
43.s2.激光强化：
44.将叶盘固定于机床，对叶盘的不同区域进行激光强化，其中吸收层为铝箔，激光强化参数为：激光波长900nm，激光能量23j，光斑直径2mm，光斑搭接率8％，冲击次数2次。
45.s3.振动光饰：
46.将磨料、振动光饰液和叶盘置入振动光饰机中振动振动光饰5h，振动频率为50hz；其中，磨料为圆锥形陶瓷介质(购自湖州南浔盛祥研磨机械厂，规格为10mm*10mm)，振动光饰液组分为：脂肪醇醚硫酸铵盐13份(购于临沂国立化工，aesa)、硼酸5份、十二烷基苯磺酸钠4份(购于山东锦瑞泰化工有限公司)、碳酸钠7份、去离子水补充余量至100份。
47.实施例2
48.一种钛合金材质整体叶盘的加工方法，其加工步骤为：
49.s1.切铣：
50.(1)通过车床完成对叶盘的装夹定位，粗削对叶盘开排气孔和流道槽，所用硬质合金锥形球头铣刀，铣刀转速为4500r/min，给进速度为450mm/min，铣刀切深为1.0mm，加工余量为1.2mm；
51.(2)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行半精铣，半精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；半精铣的铣刀转速为6800r/min，给进速度为1400mm/min，铣刀切深为0.8mm，加工余量为0.6mm；
52.(3)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行精铣，精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；精铣的铣刀转速为8000r/min，给进速度为7500mm/min，铣刀切深0.2mm，加工余量为0.2mm。
53.s2.激光强化：
54.将叶盘固定于机床，对叶盘的不同区域进行激光强化，其中吸收层为铝箔，激光强化参数为：激光波长1000nm，激光能量20j，光斑直径3mm，光斑搭接率10％，冲击次数3次。
55.s3.振动光饰：
56.将磨料、振动光饰液和叶盘置入振动光饰机中振动光饰8h，振动频率为45hz；其中，磨料为圆锥形陶瓷介质(购自湖州南浔盛祥研磨机械厂，规格为10mm*10mm)，振动光饰液组分为：脂肪醇醚硫酸铵盐15份(购于临沂国立化工，aesa)、硼酸6份、十二烷基苯磺酸钠5份(购于山东锦瑞泰化工有限公司)、碳酸钠10份、去离子水余量。
57.实施例3
58.一种钛合金材质整体叶盘的加工方法，其加工步骤为：
59.s1.切铣：
60.(1)通过车床完成对叶盘的装夹定位，粗削对叶盘开排气孔和流道槽，所用硬质合
金锥形球头铣刀，铣刀转速为3500r/min，给进速度为350mm/min，铣刀切深为0.8mm，加工余量为1.0mm；
61.(2)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行半精铣，半精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；半精铣的铣刀转速为5000r/min，给进速度为1100mm/min，铣刀切深为0.5mm，加工余量为0.4mm；
62.(3)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行精铣，精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；精铣的铣刀转速为7000r/min，给进速度为5500mm/min，铣刀切深0.1mm，加工余量为0.15mm。
63.s2.激光强化：
64.将叶盘固定于机床，对叶盘的不同区域进行激光强化，其中吸收层为铝箔，激光强化参数为：激光波长850nm，激光能量25j，光斑直径1.0mm，光斑搭接率6％，冲击次数1次。
65.s3.振动光饰：在磨料和振动光饰液中振动打磨钛合金材质整体叶盘；
66.将磨料、振动光饰液和叶盘置入振动光饰机中振动光饰2h，振动频率为60hz；其中，磨料为圆锥形陶瓷介质(购自湖州南浔盛祥研磨机械厂，规格为10mm*10mm)，振动光饰液组分为：脂肪醇醚硫酸铵盐10份(购于临沂国立化工，aesa)、硼酸3份、十二烷基苯磺酸钠3份(购于山东锦瑞泰化工有限公司)、碳酸钠5份、去离子水余量。
67.对比例1
68.s1.切铣：
69.(1)通过车床完成对叶盘的装夹定位，粗削对叶盘开排气孔和流道槽，所用硬质合金锥形球头铣刀，铣刀转速为3800r/min，给进速度为400mm/min，铣刀切深为1.0mm，加工余量为1.2mm；
70.(2)采用之字形铣刀路线，对整体叶盘进行半精铣，半精铣加工先从叶根开始，逐步沿叶盘中心到叶尖的方向切铣，最后切铣叶根尖；半精铣的铣刀转速为3500r/min，给进速度为1000mm/min，铣刀切深为0.5mm，加工余量为1.0mm；
71.(3)采用之字形铣刀路线，对叶盘进行精铣，精铣加工先从外部轮廓开始，再到叶尖，逐步沿叶尖到叶盘中心的方向切铣，最后切铣叶根；精铣的铣刀转速为7500r/min，给进速度为3000mm/min，铣刀切深0.1mm，加工余量为0.2mm；
72.步骤s2和s3同实施例1一致。
73.对比例2
74.s1同实施例1一致；
75.s2.激光强化：
76.将叶盘固定于机床，对叶盘的不同区域进行激光强化，其中吸收层为铝箔，激光强化参数为：激光波长750nm，激光能量30j，光斑直径1.0mm，搭接率8％，冲击次数2次。
77.s3.振动光饰：
78.将磨料、振动光饰液和叶盘置入振动光饰机中振动振动光饰5h，振动频率为50hz；其中，磨料为斜三角形陶瓷介质(购自湖州南浔盛祥研磨机械厂，3mm*3mm)，振动光饰液组分为：脂肪醇醚硫酸铵盐13份(购于临沂国立化工，aesa)、硼酸5份、十二烷基苯磺酸钠4份(购于山东锦瑞泰化工有限公司)、碳酸钠7份、去离子水补充余量至100份。
79.对比例3
80.s1和s2同实施例1一致；
81.s3.振动光饰：
82.将磨料、振动光饰液和叶盘置入振动光饰机中振动光饰5h，振动频率为65hz；其中，磨料为圆锥形陶瓷介质(购自湖州南浔盛祥研磨机械厂，规格为10mm*10mm)，振动光饰液组分为：硼酸5份、十二烷基苯磺酸钠17份(购于山东锦瑞泰化工有限公司)、碳酸钠7份、去离子水补充余量至100份。
83.性能测试方法
84.1.横向残余应力检测：使用mts3000-restan全自动盲孔应力仪(购自sint公司)，检测部位为叶盘叶片前缘区域，每个实施例中的检测位置一致。
85.2.粗糙度：使用日本三丰sj-410高精度测试仪进行检测，在叶盘叶片相同的中部区域取10个点，计算其平均值。
86.性能测试结果：
87.表1
88.序号粗糙度μm横向残余应力mpa实施例10.1511.4实施例20.2612.9实施例30.3113.5对比例10.3822.0对比例20.73(局部有划痕)24.3对比例30.6218.1