燃气轮机轮盘数控加工技术浅析

摘 要：燃气轮机轮盘是压气机转子上的复杂结构零件，集榫槽、窄槽、封严篦齿、花键、螺纹、轴、内腔、斜孔、小孔等于一体。轮盘的总厚度为104mm，加大了榫槽长度，榫槽的整体形状较大，为保证加工质量，合理地排列拉刀及选择合理加工的参数是关键。

关键词：数控加工；拉削加工；篦齿深槽

中图分类号：TG75 文献标识码：A

1. 概述

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪末的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身为燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。该研制盘件是燃气轮机压气机上的关键零件，在压气机上起到关键作用，该零件研制成功对制造者而言意义重大。

2. 轮盘概述

燃气轮机轮盘结构复杂，集榫槽、窄槽、封严篦齿、套齿、螺纹、轴、内腔、斜孔、小孔等于一体，在发动机压气机转子上起关键作用。该研制件所有的车削加工均采用数控车床完成，利用数控车床的加工精度高，进刀量准确来保证难以测量的表面：第一面约100长度轴上有与轴承相配合的表面，依靠轴外侧直径φ129螺纹与螺母相配。在辐板下部有一封严篦齿，齿深是历来所加工的篦齿最深的，而且突出的篦齿下端形成的狭窄型腔，加工时选择合理走刀路线和刀具来完成加工。盘的榫槽长度长，它的总厚度为104mm，榫槽的整体形状较大，为了保证加工质量，精心排列拉刀及选择合理加工的参数。

3. 零件的工艺性分析

一般情况下来料为毛料锻件状态。（1）去除毛坯余量，加工表面粗糙度为Ra1.60，供超声波探伤使用，并且考虑给超声波探伤留有至少比零件单面尺寸大3mm～4mm的盲区；（2）超声波探伤；（3）去除大部分（大约3mm）余量，即细车两面；（4）腐蚀检查、消除应力热处理；（5）精车一、二面，形成零件最终车加工尺寸及技术条件要求；（6）加工槽、孔等钻、铣、钳加工。

该轮盘来料为精化料，在入厂之前已经最终热处理并经超声波探伤检验合格，因此无需考虑毛料粗加工。为确保零件内部无缺陷，在加工前做第二次超声波探伤检验。精化料来料虽是半精毛料，但粗糙度一般在Ra3.20，因此在探伤工序之前增加两道见光工序。探伤合格后进行细车两面工序，在余量为1mm时进行腐蚀检查和稳定处理。零件辐板表面粗糙度要求为Ra0.80，精车两型面之后进行抛光两面的抛光工序。因榫槽与23均布孔有角向关系，因此在拉榫槽之前将23-φ8.2孔加工完成，其中一个孔加工成φ8.2+0.03用做拉槽定位用。在拉榫槽工序之后完成插花键、斜孔、螺纹孔、端面凸台、轴向槽等，最后进行静平衡工序，标记不平衡量。

4. 轮盘的数控加工

4.1 型面的数控车加工

轮盘的敞开式型面属易加工型面，使用正常的车削参数即可完成加工，该件辐板处车加工选用转数S=55r/min，进给f=0.2mm/r，加工内孔选择转数S=48r/min，进给f=0.2mm/r。轮盘结构较复杂的一面，设计加工路线和方案，其中共使用7种类型刀片，在美国车铣加工中心完成加工。首先加工盘件端面、外圆等测量使用基准部位，基准加工辐板，因辐板部位有一处篦齿结构，不能一次加工完成辐板，故辐板部位分为两次走刀完成；该加工面狭窄沟槽结构较多，有卡圈槽深10mm，宽2.5mm、篦齿与辐板根部开成上沟槽，槽深12mm，最窄处4mm；篦齿下部与小轴连接处形成U形槽，槽深13mm，最窄处6mm，该些结构的加工均需要使用專用刀具首先去除槽余量，将槽形打开，然后再进行槽的加工，特别需要注意的是加工狭窄槽形的排屑问题，狭窄槽形排屑一定不顺畅，若加工的刀具和零件本身刚性好的窄槽排屑不畅倒造成打刀，严重者影响槽的尺寸，若加工刀具和零件本身结构的刚性差，比如加工该盘件篦下部与小轴边接处形成的槽，会造成刀具本身的变形和零件变形，将槽尺寸直接加工超差甚至将零件报废，故在加工该槽时除了选用适合的加工参数外，必须解决刀具刚性和加工中排屑问题，加工过程应在操作者监控过程中完成；加工卡圈槽发，因刀具宽度与槽宽相近，采用直接扎槽加工，为使排屑顺畅，在加工1/3槽深处退刀排屑然后重新进刀加工，解决排屑问题。

为保证篦齿的加工，加工步骤分两步，第一步用槽刀粗扎篦齿去除大部分余量，第二步通过篦齿轮廓走刀完成加工。在粗扎步骤中，每刀去除余量约1mm～1.5mm，给精加工留有约1mm余量，每刀进给0.2mm～0.5mm，分3次走刀加工完篦齿轮廓。

首次使用美国数控车铣中心加工螺纹，指令G21循环加工，每次进刀量0.1mm。

4.2 零件的铣削加工

轮盘卡圈槽不是连续的环面，是由23个凸耳构成，同时在零件第一面短轴上有三处槽，使用铣加工加工中心工作台压紧零件，一次装夹完成铣凸耳和轴向槽的加工，节省夹具同时提高加工效率。

5. 轮盘榫槽的拉削

轮盘榫槽属于大尺寸榫槽，拉削该槽共安排19把拉刀，其中最后一把拉刀为全型备用拉刀。前13号拉刀为开槽拉刀，后5把拉刀为拉削槽型拉刀，由于榫槽形状较大，拉刀向外沿的部分较多，因此拉刀的刚性较差，拉削过程中极易出打刀现象。为避免打刀现象的出现，现场选用拉削速度在4mm/min～5mm/min。

结语

燃气轮机轮盘的研制加工及顺利交付意义重大，它是对生产能力的有力说明，我们对复杂型面的数控加工有了更多的加工经验，对今后的类似件加工有更多的参考依据，对提高整体生产能力意义重大。

参考文献

[1]透平机械现代制造技术丛书编委会.盘轴制造技术[M].北京：科学出版社，2002：280-288.

[2]孔德音.机械加工工艺基础[M].北京：机械工业出版社，1998：38-40.

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