介紹一種高溫合金渦輪輪盤榫齒的新型加工方案，通過線切割加工方式，完成輪盤的榫齒加工，并對工裝設(shè)計及加工中容易出現(xiàn)的問題進行分析和突破。解決了傳統(tǒng)拉削加工方案中存在的生產(chǎn)成本高、研發(fā)周期長及批量產(chǎn)品一致性差等問。
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序言
隨著柴油機渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展，柴油機輸出功率越來越高，對增壓器壓比和效率的需求也不斷提高，增壓器的生產(chǎn)制造難度成倍提升，而增壓器核心部件渦輪輪盤榫齒的現(xiàn)有加工方案，仍是延續(xù)20世紀80年代傳統(tǒng)的拉床拉削加工方式，存在生產(chǎn)成本高、研發(fā)調(diào)整周期長及批量產(chǎn)品一致性差等問題，無法滿足新型高壓比增壓器的研發(fā)和生產(chǎn)需求。
圖1 增壓器主軸及渦輪輪盤
增壓器主軸及渦輪輪盤如圖1所示，渦輪輪盤榫齒如圖2所示，其中未注倒角為0.5mm×45°，表面粗糙度值Ra＝1.6μm。
本文主要針對加工難度及成本較高的高溫合金渦輪輪盤榫齒新工藝進行研究，通過采用中速線切割機床，完成高溫合金渦輪輪盤榫齒加工，并對線切割放電加工中的部件表面粗糙度、表面重熔層和加工一致性等問題，以及相應(yīng)的解決方案進行驗證分析，從而促使加工工藝更精準合理，加工效率和穩(wěn)定性更高；設(shè)計制作了新型線切割高溫合金榫齒切割加工工裝夾具，解決了采用摩擦焊連接方式的高壓比增壓器主軸和高溫合金渦輪輪盤榫齒加工難題。
圖2 渦輪輪盤榫齒
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原生產(chǎn)工藝存在的問題
?。?）拉削加工成本高、方案調(diào)整周期長 加工輪盤榫齒的拉床需要根據(jù)不同型號的輪盤和齒型，定制不同的刀具和工裝。專用刀具（拉刀）需單獨定制，供貨周期長（一般為3～6個月），價格昂貴（平均每套刀具4萬元），直接影響增壓器的制造成本。對于新項目的研發(fā)，需要的一次性投入較大，且一旦修改設(shè)計方案，則需要重新定制拉刀，影響增壓器研發(fā)項目的成本和進度。
?。?）刀具磨損造成加工一致性差 定制拉刀在使用過程中不斷磨損，修磨會造成拉刀尺寸不斷縮小，從而造成輪盤榫齒不斷縮小，榫槽尺寸由M6逐漸縮小到M1，直至刀具報廢。不斷修磨拉刀會造成不同批次輪盤榫齒尺寸一致性差，每一批輪盤都需選配相應(yīng)尺寸葉片使用。在生產(chǎn)組裝過程中，經(jīng)常出現(xiàn)有輪盤和葉片，卻無法匹配組裝的情況。為保證產(chǎn)品按時生產(chǎn)，需要有大量的輪盤、葉片存貨進行選配?，F(xiàn)有增壓器型號10余種，每種增壓器輪盤、葉片都需儲備大量部件，影響公司庫存管理。
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新工藝方案的優(yōu)勢
對渦輪輪盤榫齒加工進行新工藝探索和應(yīng)用，采用高精度中速線切割機床，對輪盤榫齒尺寸進行控制，保證單個輪盤各榫槽尺寸一致性，保證不同批次輪盤之間尺寸的一致性。同時通過調(diào)整線切割程序，可以快速地在不同產(chǎn)品間進行切換，減少定制工裝和刀具的一次性投入，有效解決傳統(tǒng)拉削加工方案存在的生產(chǎn)成本高、研發(fā)調(diào)整周期長及批量產(chǎn)品一致性差等問題。
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線切割機床渦輪輪盤榫齒加工方案
4.1 生產(chǎn)設(shè)備的選擇
20世紀90年代，線切割機床在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前線切割設(shè)備分為慢走絲、中走絲和快走絲3大類[1]。其中慢走絲設(shè)備加工精度高，表面質(zhì)量好，但加工效率低，單件加工成本較高，設(shè)備一次性投入大，常用于高精度零件的加工，例如航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子、燃氣輪機輪盤等?？熳呓z設(shè)備加工精度低，表面質(zhì)量差，加工效率高，設(shè)備價格較低，常用于一般模具開發(fā)和簡單外形加工等。中走絲設(shè)備為近年來國內(nèi)興起的一種加工設(shè)備，其加工精度和表面質(zhì)量接近慢走絲設(shè)備，而加工效率和設(shè)備成本與快走絲設(shè)備相當，是一種較為理想的高精度線切割機床。
本次新加工方案選用中走絲設(shè)備對輪盤榫齒進行加工，與傳統(tǒng)拉削加工對比，其主要優(yōu)勢在于無刀具、精度高、工裝簡單、連續(xù)加工和一致性好等，劣勢主要為單件加工時間長，且線切割加工后的輪盤會在加工表面形成一層高溫重熔層。初步試驗測得中走絲加工后的表面重熔層厚度＜3μm，經(jīng)金相檢查，線切割加工的渦輪輪盤榫槽表層橫截面微觀形貌如圖3所示，未發(fā)現(xiàn)裂紋，能保證產(chǎn)品連接強度，說明使用中走絲進行輪盤榫齒加工可行。
a）榫槽齒尖處1點位
b）榫槽齒尖處2點位
c）榫槽齒槽處1點位
d）榫槽齒槽處2點位
圖3 線切割加工的渦輪輪盤榫槽表層橫截面微觀形貌（GH4169）
4.2 切割加工參數(shù)
鉬絲規(guī)格為0.1～0.3mm，鉬絲直徑的選擇，在線切割機床電流可承受的條件下，決定了線切割的精度、效率和可加工范圍。因榫槽最小圓弧直徑0.20mm，故采用鉬絲直徑0.18mm，鉬絲補償0.1mm。加工次數(shù)3次，即1割2修模式：第1次切割去除大部分余量，第2次切割精修整尺寸精度，第3次切割修整表面粗糙度。
輪盤加工放電參數(shù)見表1。
表1 輪盤加工放電參數(shù)
4.3 參數(shù)調(diào)整主要問題
調(diào)節(jié)各加工參數(shù)，主要是平衡加工效率、質(zhì)量及電腐蝕加工后零件表面的重熔層問題。線切割多次加工的主要加工時間為第1刀加工工時。調(diào)節(jié)各參數(shù)時，使加工時機床電流限定在4.5A以下，加工效率維持在40mm2/min左右。除了加工效率，還要兼顧鉬絲磨損對整個輪盤榫槽尺寸精度的影響，鉬絲每磨損0.01mm，對零件榫槽尺寸影響0.02mm，相配葉片就相差1個等級，進而影響后期葉片裝配和轉(zhuǎn)子整體的動平衡質(zhì)量。更要兼顧零件表面的幾何公差和表面粗糙度。若電流過大，則鉬絲容易產(chǎn)生抖動，造成幾何尺寸和表面粗糙度產(chǎn)生偏差，如榫槽對稱度不好、表面出現(xiàn)黑斑及表面有線痕等，嚴重時造成夾絲短路，甚至鉬絲折斷，此時需要重新穿絲、定位，再加工。再加工部位由于二次放電，因此尺寸精度及表面質(zhì)量更差。不同工況時，加工零件厚度、材質(zhì)的導(dǎo)電率、切削液濃度（包括切削液的冷卻、潤滑、沖洗和絕緣效果等）及鉬絲懸伸高度等，都需要時時調(diào)整，以達到生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的最佳平衡點[2]。
4.4 工裝夾具
針對定位夾持難度最大的摩擦焊接后的主軸輪盤榫齒加工，設(shè)計制作了斜角反向夾持定位工裝、主軸輪盤榫槽中走絲線切割加工工裝（見圖4），包括：下支座、上支座和定位鎖緊機構(gòu)；輪盤處于上支座和下支座之間，且主軸穿過上支座和定位鎖緊機構(gòu)，定位鎖緊機構(gòu)將主軸輪盤鎖緊于上支座?？捎行ПＷC主軸輪盤在中走絲線切割機床上正確地定位、夾緊，并保證加工過程中的穩(wěn)定性。通過定位鎖緊機構(gòu)將主軸輪盤鎖定，并使主軸與切割線之間有一定的夾角，以滿足主軸輪盤榫槽的傾斜角度要求。同時，通過釋放定位鎖緊機構(gòu)后，轉(zhuǎn)動主軸輪盤，并再次鎖緊，可以滿足主軸輪盤的榫槽圓周分度要求，對每一個榫槽逐個加工[3]。
圖4 線切割加工工裝
1—壓緊螺釘 2—楔塊 3—主軸輪盤 4—緊定螺釘 5—分度盤
6—插拔銷 7—上支座 8—下支座
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新工藝效益
決定渦輪輪盤榫齒制造成本的主要有：刀具成本、電力消耗、人工費用及設(shè)備折舊費。新的線切割加工方式相較傳統(tǒng)的拉床拉削工藝方式，各項成本均有所降低，尤其在刀具成本、電力消耗及人工費用方面，可降低成本70%以上。
以常規(guī)產(chǎn)品ZN270B增壓器高溫合金渦輪輪盤榫齒制造費用為例，采用線切割加工成本約為109元，采用拉床拉削成本約為510元。在榫齒加工工序，單件產(chǎn)品即可降低成本401元，降低了近80%。
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結(jié)束語
決定渦輪輪盤榫齒制造成本的主要有：刀具成本、電力消耗、人工費用及設(shè)備折舊費。新的線切割加工方通過分析產(chǎn)品和機床特性，對高溫合金渦輪輪盤榫齒加工進行新方法的探索和應(yīng)用，使用中走絲線切割設(shè)備進行加工。既保證了單個輪盤各榫槽尺寸的一致性和不同批次輪盤之間尺寸的一致性，又可以快速地在不同產(chǎn)品之間進行切換，減少了產(chǎn)品定制工裝和刀具的一次性資金投入，提高批量產(chǎn)品加工精度，降低單件生產(chǎn)成本75%以上，研發(fā)時輪盤榫齒方案調(diào)整周期減少80%以上。為今后相關(guān)產(chǎn)品的加工積累了寶貴經(jīng)驗，并可推廣應(yīng)用到其他高精度回轉(zhuǎn)類零件加工，比如齒輪、花鍵軸等類型零件的加工。
