CN116728089A - 一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮盘榫槽激光切割‑拉削复合加工方法及装置，其包括机架，以及安装在机架上的工作台、激光切割模块、拉削加工模块、热成像仪和冷却装置；工作台用于固定涡轮盘胚料，并带动涡轮盘胚料绕轴线转动；激光切割模块用于对涡轮盘胚料进行初步加工切割；拉削加工模块用于对激光切割模块加工后的涡轮盘胚料进一步的切割；热成像仪用于采集涡轮盘胚料的温度；冷却装置用于对经过激光切割的涡轮盘胚料进行冷却。本发明根据被涡轮盘胚料采用的金属的特性，将被加工涡轮盘表面温度下降至指定温度；使得涡轮盘胚料处于软化状态，拉削刀具对该状态下的涡轮盘胚料进行拉削加工，避免因金属的硬度过高而导致的拉削刀具磨损过快。

Description

一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法及装置

技术领域

本发明属于涡轮盘加工制造技术领域，具体涉及一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法及装置。

背景技术

涡轮盘是航空发动机的重要零件，与涡轮叶片通过榫卯连接构成涡轮转子，其工作环境极其恶劣，承受着高温高压燃气的冲击，以及叶片与自身的离心力、冷热交替变化、应力循环、振动疲劳等，航空发动机热端部件涡轮盘加工要求质量高、可靠性高、抗疲劳性好。涡轮盘主要由盘体和均布在盘轮缘一周的数十个枞树型榫槽组成，其中，榫槽结构复杂，形位公差要求高，给加工制造带来了极大的挑战。

涡轮盘榫槽结构加工工艺过程复杂，通常是在完成初步开槽之后，再进行相应的粗、精加工才能达到涡轮盘榫槽结构的工艺需求。常规的机械加工方法，如铣削、拉削、磨削等，都存在刀具形状复杂、刀具刚度小易损耗等问题；采用电火花线切割加工时，加工效率较低，且容易在工件表面产生重铸层与热影响区等；在热影响区内做进一步加工，当加工完成后，由于涡轮盘采用金属的热胀冷缩，体积会缩小，金属产生内部应力，从而导致合金表面生成割缝和裂纹。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法及装置。

第一方面，本发明提供一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置的加工方法。其具体步骤如下：

步骤一、对涡轮盘胚料进行固定；在涡轮盘胚料表面进行激光加工，使得涡轮盘胚料上生成多个沿着涡轮盘胚料轴线的周向均布的榫槽；

步骤二、对涡轮盘胚料的外侧端部进行降温处理，使得涡轮盘胚料上的各个榫槽的内侧面温度均下降至1080℃～1100℃；

步骤三、对涡轮盘胚料上各个榫槽的内侧面进行拉削加工处理，切削深度为0.5mm～1mm，得到加工完成的涡轮盘。

作为优选，步骤一中，激光切割的选用YAG激光，波长选择为1060nm，脉冲宽度为10，激光功率为30W，激光半径为0.1mm。

作为优选，步骤二中，通过对涡轮盘胚料外侧端部喷射液氮进行降温，涡轮盘胚料绕轴线进行转动，使得涡轮盘胚料上的各个榫槽的内侧面温度同步下降。

作为优选，所述的涡轮盘胚料采用的材料为镍基高温合金。

作为优选，步骤一中，用于激光加工的激光头与涡轮盘胚料的间距为10cm。

作为优选，步骤二中将榫槽的温度调节至1080℃。

第二方面，本发明提供一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置，该装置用于执行如第一方面所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法；该复合加工装置包括机架，以及安装在机架上的工作台、激光切割模块、拉削加工模块、热成像仪和冷却装置；工作台用于固定涡轮盘胚料，并带动涡轮盘胚料绕轴线转动；激光切割模块用于对涡轮盘胚料进行初步加工切割；拉削加工模块用于对激光切割模块加工后的涡轮盘胚料进一步的切割；热成像仪用于采集涡轮盘胚料的温度；冷却装置用于对经过激光切割的涡轮盘胚料进行冷却。

作为优选，所述的激光切割模块包括位移驱动机构，以及安装在位移驱动机构上的激光发射器；位移驱动机构用于带动激光发射器移动。

作为优选，工作台包括加工底座、电机和转台；加工底座固定在机架上；转台与加工底座构成转动副；电机安装在加工底座内，且电机的输出轴与转台固定。

作为优选，所述的拉削加工模块包括驱动元件和拉削刀具，驱动元件用于驱动拉削刀具沿着涡轮盘胚料的轴向进行往复运动。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用激光切割和拉削切割的复合加工模式；并在激光切割加工后，对涡轮盘胚料表面进行降温处理，将涡轮盘胚料3冷却至接近1080℃；当涡轮盘胚料3的温度处于980℃～1080℃区间时，其晶相呈现体心立方相(BCC)；当涡轮盘胚料3的温度大于1080℃时，其晶相呈现面心立方相(FCC)；BCC结构通常比FCC结构具有更高的硬度和强度。因此，涡轮盘胚料3的晶相呈现BCC结构时将极大地提高切削的难度，造成刀具的损耗提高，加工的精度下降。

2、本发明中对于激光切割后的涡轮盘胚料3进行冷却处理，在冷却至1080℃后进行拉削加工处理；涡轮盘胚料3冷却后由于热胀冷缩导致的尺寸变化，会导致加工后涡轮盘尺寸偏差增大、表面粗糙度增加、表面裂纹和热损伤等表面质量问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中激光发射器相对于涡轮盘胚料的位置示意图；

图3为本发明中涡轮盘胚料上加工生成的榫槽的结构示意图；

图4为本发明中激光发射器发射不同功率和半径的激光在涡轮盘胚料上的对比示意图；

图5为本发明中拉削刀具的加工位置示意图。

其中，1、加工底座；2、转台；3、涡轮盘胚料；4、激光发射器；5、榫槽；6、拉削刀具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置及方法，包括机架，以及安装在机架上的工作台、激光切割模块、拉削加工模块、热成像仪和冷却装置。激光切割模块用于对涡轮盘胚料3进行初步加工切割。拉削加工模块用于对激光切割模块加工后的涡轮盘胚料3进一步的切割。工作台包括加工底座1、电机和转台2。加工底座1固定在机架上。转台2与加工底座1构成转动副。电机安装在加工底座1内，且电机的输出轴与转台2固定。加工时，涡轮盘胚料3放置在转台2上，并通过转台2对其位置进行固定。

如图2和3所示，激光切割模块包括位移驱动机构，以及安装在位移驱动机构上的激光发射器4。位移驱动机构用于带动激光发射器4进行竖直方向，以及同一平面内任意方向上的移动。加工时，激光发射器4的激光头与涡轮盘胚料3的间距为10cm，位移驱动机构带动激光发射器4以100cm/min的速度，进行切割。加工时，在涡轮盘胚料表面预设所需加工生成的齿顶轮廓线，设置激光切割的加工路径；激光切割的加工路径与齿顶轮廓线的间距为0.1mm。激光切割后，涡轮盘胚料3上生成多个沿着轴线的周向均布的榫槽5。通过激光切割模块对涡轮盘胚料3进行粗加工处理，减少拉削加工时所需的切割量，降低对拉削加工模块中的刀具的磨损。

热成像仪的探测面正对于涡轮盘胚料3的外侧切割边缘，热成像仪用于实时探测涡轮盘胚料3表面的温度，并进行显示。冷却装置包括供气管，以及和供气管连通的液氮喷头。液氮喷头的喷射面正对于涡轮盘胚料3的外侧边缘。通过向涡轮盘胚料3表面喷射液氮，使得涡轮盘胚料3因激光切割而上升的温度，快速下降到预设的温度。预设温度为1080℃。

如图5所示，拉削加工模块包括驱动元件和拉削刀具6，驱动元件用于驱动拉削刀具6沿着涡轮盘胚料3的轴向进行往复运动，完成对涡轮盘胚料3的预留余量的切除。在涡轮盘胚料3降温后，拉削加工模块沿着涡轮盘榫槽5的边缘进行拉削加工，拉削加工模块切除在涡轮盘胚料3的径向上l的深度距离。通过拉削加工模块对降温后的涡轮盘胚料3进行进一步的切割，避免因激光切割时产生的热能，使得金属发生热胀冷缩，从而影响涡轮盘胚料3的加工精度。

涡轮盘胚料3采用的金属为镍基高温合金，具体牌号为718；激光切割后，涡轮盘胚料3上形成的榫槽表面处于接近熔点的高温，难以将其快速冷却至室温；而拉削加工时涡轮盘胚料3的胚料温度对于加工的精度有较大影响；具体如下：

一方面，在过高温度时进行拉削，涡轮盘胚料3冷却后由于热胀冷缩导致的尺寸变化，会导致加工后涡轮盘尺寸偏差增大、表面粗糙度增加、表面裂纹和热损伤等表面质量问题。

另一方面，涡轮盘胚料3在不同的温度区间时的晶相不同，不同晶相的加工难度不同；当涡轮盘胚料3的温度处于980℃～1080℃区间时，其晶相呈现体心立方相(BCC)；当涡轮盘胚料3的温度大于1080℃时，其晶相呈现面心立方相(FCC)；BCC结构通常比FCC结构具有更高的硬度和强度。因此，涡轮盘胚料3的晶相呈现BCC结构时将极大地提高切削的难度，造成刀具的损耗提高，加工的精度下降。

因此，激光切割后将涡轮盘胚料3冷却至接近1080℃，能够在尽可能减少热胀冷缩影响的同时，确保被拉削的涡轮盘胚料3的晶相呈现面心立方相(FCC)，有效延长刀具的寿命并提高涡轮盘的加工精度。因此，本实施例使用液氮将经过激光切割的涡轮盘胚料3降温至1080℃～1100℃区间(优选1080℃)，以达到最佳的加工效果。

选用YAG激光(红外激光)，波长选择为1060nm，脉冲宽度为10，并分别采用激光功率为30w，激光半径为0.1mm；激光功率为40w，激光半径为0.1mm；激光功率为30W，激光半径为0.2mm；激光功率为40w，激光半径为0.2mm的四组不同功率的激光。在涡轮盘胚料3上进行激光切割模拟。根据镍基高温合金718合金属性。定义被切割涡轮盘。被切割的涡轮盘传导率为10.1W/(m·K)、密度在室温下约为8.2g/cm³、比热容在室温下约为427J/(kg·K)、杨氏模量在约为204GPa。热膨胀系数在室温到650℃范围内为13.3×10^-6/K。创建热传递(瞬态)分析步，时间长度设置为1s，增量步大小为0.01。将环境温度设置为20℃。根据公式1对施加在被切割的涡轮盘表面的热流载荷q进行计算：

其中P代表激光功率，R是激光半径，r是涡轮盘中任意一点与激光中心位置之间的径向距离，A是激光能量吸收率(A＝0.7)。

所得结果如图4所示，图中(a)、(b)、(c)、(d)与激光功率为30W，激光半径为0.1mm；激光功率为40W，激光半径为0.1mm；激光功率为30W，激光半径为0.2mm；激光功率为40w，激光半径为0.2mm分别对应。图4中，颜色越浅表示加工温度越高。结合图4中的(a)、(b)、(c)、(d)图像，及对应的表格可知，在激光功率为30W，激光半径为0.1mm时激光中心的温度为1328℃，最为接近镍基高温合金晶相为面心立方相(FCC)的温度：1080℃～1100℃。

使用该涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置对涡轮盘的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、将涡轮盘胚料3安装在转台2上。

步骤二、在涡轮盘胚料3表面预设齿顶轮廓线，设置激光发射器4的加工路径；齿顶轮廓线与加工路径的间距为1mm。

步骤三、位移驱动机构带动激光发射沿着涡轮盘胚料3加工边缘运动。激光发射器4发射激光，以280cm/min的切割速度，对涡轮盘胚料3表面进行激光切割，生成榫槽5。

步骤四、电机带动固定在转台2上的涡轮盘胚料3进行转动；同时，液氮喷头对涡轮盘胚料3喷射液氮，使得涡轮盘胚料3表面温度均匀地冷却至1080℃。

步骤五、驱动元件带动拉削刀具6以1m/min的速度进行往复运动，拉削刀具6对榫槽的内侧面进行拉削加工；并切割0.5mm～1mm的深度。同时，电机带动涡轮盘胚料3进行转动，完成对涡轮盘胚料3上预留余量的拉削切除，得到加工完成的涡轮盘。

Claims (10)

1.一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法；其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、对涡轮盘胚料(3)进行固定；在涡轮盘胚料(3)表面进行激光加工，使得涡轮盘胚料(3)上生成多个沿着涡轮盘胚料(3)轴线的周向均布的榫槽(5)；

步骤二、对涡轮盘胚料(3)的外侧端部进行降温处理，使得涡轮盘胚料(3)上的各个榫槽(5)的内侧面温度均下降至1080℃～1100℃；

步骤三、对涡轮盘胚料(3)上各个榫槽(5)的内侧面进行拉削加工处理，切削深度为0.5mm～1mm，得到加工完成的涡轮盘。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法，其特征在于：步骤一中，激光切割的选用YAG激光，波长选择为1060nm，脉冲宽度为10，激光功率为30W，激光半径为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法，其特征在于：步骤二中，通过对涡轮盘胚料(3)外侧端部喷射液氮进行降温，涡轮盘胚料(3)绕轴线进行转动，使得涡轮盘胚料(3)上的各个榫槽(5)的内侧面温度同步下降。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法，其特征在于：所述的涡轮盘胚料(3)采用的材料为镍基高温合金。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法，其特征在于：步骤一中，用于激光加工的激光头与涡轮盘胚料(3)的间距为10cm。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法，其特征在于：步骤二中将榫槽(5)的温度调节至1080℃。

7.一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置，其特征在于：用于执行如权利要求1所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工方法；该复合加工装置包括机架，以及安装在机架上的工作台、激光切割模块、拉削加工模块、热成像仪和冷却装置；工作台用于固定涡轮盘胚料(3)，并带动涡轮盘胚料(3)绕轴线转动；激光切割模块用于对涡轮盘胚料(3)进行初步加工切割；拉削加工模块用于对激光切割模块加工后的涡轮盘胚料(3)进一步的切割；热成像仪用于采集涡轮盘胚料(3)的温度；冷却装置用于对经过激光切割的涡轮盘胚料(3)进行冷却。

8.根据权利要求7所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置，其特征在于：所述的激光切割模块包括位移驱动机构，以及安装在位移驱动机构上的激光发射器(4)；位移驱动机构用于带动激光发射器(4)移动。

9.根据权利要求7所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置，其特征在于：工作台包括加工底座(1)、电机和转台(2)；加工底座(1)固定在机架上；转台(2)与加工底座(1)构成转动副；电机安装在加工底座(1)内，且电机的输出轴与转台(2)固定。

10.根据权利要求7所述的一种涡轮盘榫槽激光切割-拉削复合加工装置，其特征在于：所述的拉削加工模块包括驱动元件和拉削刀具(6)，驱动元件用于驱动拉削刀具(6)沿着涡轮盘胚料(3)的轴向进行往复运动。