大型钴基高温合金机匣新件研制

摘要：GE公司是世界上最著名的航空发动机供应商之一，本篇论文研究的是美国GE公司GE90型发动机中的大型机匣零件—高压涡轮机匣新件对其结构研制加工工艺进行详细分析说明。

关键词：机械加工工艺；GE公司；钴基高温合金；难切削

中图分类号：TQ320.67+1文献标识码：A

该零件外形均由曲面构成，壁厚为3.175mm，外圆型面上有八个大岛屿与一个小岛屿，在前端面有144处孔，径向孔有20处。在零件后端面有160处孔，径向孔有21处，并有21处花边。针对零件在加工中受到零件材料难加工，及零件型面复杂的制约，我们进行了大量的研制工作。本篇论文论述了高压涡轮机匣加工研制的整个过程。

本论文内容主要包含以下两个部分：

a.概述部分：介绍GE公司大型钴基高温合金机匣的结构特点和加工工艺难点；

b.工艺路线及机械加工：针对零件结构特点和加工难点论述零件加工工艺和机械加工过程。

1 零件及加工概述

1.1 零件结构

高压涡轮机匣为钴基高温合金环形静止零件，轮廓以曲面为主，最大外径尺寸φ1137mm，高116.497mm，型面壁厚3.619mm，型面上有八个大岛屿及一个小岛屿；零件分前后端面，前端面有114个通孔，径向孔有20处。在零件后端面有160处孔，径向孔有21处，并有21处花边。零件整体如图1

1.2 零件材料及特点

1.2.1钴基高温合金

高压涡轮机匣材质为RENE41，毛料为钴基高温合金模锻件，含有金属主要成分有镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛等合金元素。钴基高温合金具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀、和耐磨腐蚀性能。用于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的涡轮增压器。正是由于这种性能，该材料用于高压涡轮机匣。

1.2.2 加工特点

钴基高温合金材料由于成分的原因，材质硬难于切削，在加工时受切削力影响变形不大。零件的结构特点对工艺路线、刀具及加工的方法有所要求，在新件的研制阶段需要合理安排工艺路线及安排合理的加工方法。

1.3 工艺难点

该零件从设计图纸进行工艺分析，从工艺路线、加工、刀具三个方面对加工难点进行论述。

1.3.1 机械加工

零件的材料硬度大，型面复杂：

切削零件材料时，零件材料硬度大，型面加工长。在进行半精车时进行深槽加工，普通刀具难于加工该处。

铣加工表面：在进行粗铣削加工时，零件型面余量大，最大处达到19mm余量，加工时需用大量刀具。

2 加工工艺研究

2.1 工艺路线

通过以上的分析制定工艺路线，编制工艺规程，由于零件整体结构比较复杂，加工路线已先车加工零件外形，后进行粗铣加工去余量，然后进行热处理工序。再进行精铣加工零件的型面，后焊接，再进行零件的精车加工，后对零件进行铣花边及钻孔，最后对零件内部进行喷涂。

2.1.1 工艺路线制定

工艺路线：№0毛料—№5车后端面基准—№10粗车前端及型面—№15粗车后端及型面—№20粗铣外型面—№25去应力热处理—№30修后端面基准—№35半精车前端及型面—№40半精车后端及型面—№50精铣外型面—№55去毛刺—№60焊接连接座—№70修基准—№75精车前端—№80精车后端—№85钻前端面孔、径向孔并铣端面槽—№90钻后端面孔、径向孔并铣端面槽—№100攻螺纹—№105标印—№110清洗—J115中间检验—120荧光检查—125清洗—130集件—135装配—140清洗—145喷涂—150车涂层—155修喷涂表面—J160最终检验—165入库

2.1.2 工装和刀具选择

工装：主要根据GE公司提供的车床和铣床夹具结构图纸进行设计并制造，检测用约束测具为自主设计制造。

刀具的选择：钴基高温合金是一种难切削材料，刀具本身成分内含有钴成分，在加工中，刀具材料容易与零件材料产生亲和，刀具很容易磨损，故选用刀具时，应选用耐磨涂层，防止零件在加工时，刀具磨损，使得刀具有更高耐磨性，零件得到更好的表面质量且延长刀具寿长。

2.2 车加工

车加工共有9道工序：№5车后端面基准—№10粗车前端及型面—№15粗车后端及型面—№30修后端面基准—№35半精车前端及型面—№40半精车后端及型面—№70修基准—№75精车前端—№80精车后端

№5车后端面基准：本道工序车加工零件的内孔及外圆，用于下一道工序的找正及压紧；

№10粗车前端及型面：去除大部分余量为精加工单边留有3mm余量；

№15粗车后端及型面：去除大部分余量为精加工单边留有3mm余量；

№30修后端面基准：热处理后，进行修基准工序，为下道车加工做准备。

№35半精车前端及型面：在零件型面处加工到零件设计图尺寸，端面留有余量1mm余量。（在NO20工序应力释放后，型面加工到零件设计图尺寸）

№40半精车后端及型面：在零件型面处加工到零件设计图尺寸，端面留有余量1mm余量。（在NO20工序应力释放后，型面加工到零件设计图尺寸）

№70修基准：车零件的止口端面及外圆，用于零件的装夹找正。

№75精车前端：将零件端面尺寸加工到零件最终尺寸，并扎槽。

№80精车后端：将零件端面尺寸加工到零件最终尺寸，并扎槽。

2.3 铣加工

零件的精铣加工：

零件的精铣加工，在精铣加工时，注意合理的安排零件的加工路线，加工的先后顺序，加工时的走刀路线。具体精铣的加工路线如下：

第一步：加工零件型面，在加工零件型面时，采用切线进刀，在加工零件型面时，采用上下往复铣加工，保证零件的表面质量，零件的表面粗糙度，铣削零件的型面。

第二步：铣加工岛屿凸台表面，用Φ20刀具铣加工凸台表面，在零件表面方向进刀切削

第三步：加工岛屿大孔及岛子台阶。

第四步：清理大岛屿两侧，用Φ20R3进行清理岛屿两侧。

第五步：清理小岛屿，在小岛屿外层走两次，将零件铣型面的残余清除。

第六步：清理小岛屿下部，用R6球刀进行清根，清根时需注意刀具的磨损。

2.4 关键和难点

高压涡轮机匣加工的关键在于车加工的车槽及铣加工的工艺路线。

2.4.1 进行粗铣零件型面，注意走刀路线的刀路，在粗铣时，大量去除零件余量。

2.4.2 除零件余量后需要对零件进行热处理，将零件粗车及粗铣时的残余应力释放。

2.4.3 后进行车基准及半精车加工。在半精车时，先用R2.5球刀进行粗扎槽，在用R2球刀进行精车。在遇到特殊槽型时，选用非标刀片进行车加工零件的型面。

2.4.4 进行精铣加工时，注意零件的走刀路线，合理的安排刀路，加工出零件的型面。

3 加工工艺总结和推广

随着民用航空飞机的发展，类似钴基高温合金被越来越多的应用，钴基合金材料应用领域的越来越广泛，必将对制造业提出更高的要求，对特种合金加工工艺的研究也会更加深入。

此次对钴基高温合金类大型机匣件工艺方法的第一次探索尝试，发现了一些钴基高温合金的加工工艺方法，如合理安排零件工艺路线，选用合适刀具进行加工，安排合理的走刀路线；除此之外，也对刀具对零件加工中应用的重要性有所认识，这些方法和措施也会推广到其他GE公司的大型机匣合金类零件的研制中去，不断摸索创新。

参考文献

[1]金属切削手册[M].技术中心金属研究室.

[2]金属切削技术指南[M].山特维克可乐满.

[3]西门子编程教程[M].

[4]AMS4132美国航空材料标准[S].

[5]UG6.0编程手册[M].

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