涡轮盘外圆精密加工技术研究

涡轮盘外圆精密加工技术研究

王亚楠

哈尔滨东安实业发展有限公司  黑龙江哈尔滨  150060

摘要：本文研究了涡轮盘外圆的精密加工技术，包括传统加工方法、超声波加工和激光加工等。通过实验验证和分析比较，得出了各种加工方法的优缺点，并提出了改进和优化的建议。传统加工方法如车削、磨削和研磨等能够满足一定的加工精度要求，但存在加工效率低、表面质量不稳定等问题。超声波加工通过超声振动降低切削力和提高加工精度，适用于硬度较高的材料，但加工速度较慢且装夹方式复杂。激光加工利用激光束的高能量密度和高聚焦性实现非接触式加工和微细加工，具有无接触、高精度和高效率等优点，但材料选择受限。

关键词：涡轮盘；外圆精密加工；超声波加工；激光加工

涡轮盘作为飞机发动机中的核心部件之一，承载着巨大的旋转力和高温高压的工作环境。其外圆的精密加工直接影响着发动机的性能和寿命。因此，涡轮盘外圆的加工技术一直是航空制造领域的研究热点之一[1]。

一、传统加工方法

（一）车削加工

车削加工是一种常用的涡轮盘外圆加工方法。它通过将涡轮盘夹持在车床主轴上，利用刀具旋转切削涡轮盘。这种方法能够满足一定的加工精度要求。然而，当处理硬度较高的材料时，会面临切削力较大的挑战[2]。由于硬度高的材料具有较高的抗剪强度和韧性，因此在车削加工中需要施加更大的切削力才能完成加工。然而，过大的切削力会导致一些问题[3]。首先，它容易使材料表面产生热变形。切削过程中产生的大量热量可能会使材料发生塑性变形，导致工件尺寸偏差或形状不准确。其次，过大的切削力还会引起刀具磨损[4]。刀具在与材料接触时受到的应力较大，容易导致刀具磨损快速增加，降低了切削效率和加工质量。为了克服这些问题，可以采取一些措施[5]。首先，选择合适的刀具材料和涂层，提高刀具的抗磨性和耐热性，延长其使用寿命。其次，通过优化切削参数，如切削速度、进给量和切削深度等，来减小切削力。此外，还可以采用冷却液进行切削过程中的冷却，降低材料的温度，减少热变形的风险。

（二）磨削加工

磨削加工是一种常用的传统加工方法，适用于对涡轮盘外圆加工精度和光洁度要求较高的情况。磨削过程中，通过砂轮与工件之间的相对运动，去除材料表层来达到加工目的。然而，磨削加工也存在一些问题。首先，磨削加工效率相对较低。由于磨削是通过砂轮与工件之间的摩擦来去除材料，因此加工速度较慢。这导致了加工周期长，降低了生产效率。其次，磨削加工成本较高。磨削过程中，砂轮会磨损并需要经常更换，增加了加工成本。此外，砂轮的制造和修整也需要一定的费用投入。最后，磨削加工得到的表面质量不稳定。由于砂轮与工件之间的接触力分布不均匀，加工过程中可能出现不同位置的表面质量差异，这对某些应用场景下的涡轮盘外圆加工来说是不可接受的。为了克服这些问题，可以采取一些措施。首先，选择合适的砂轮材料和结构，以提高砂轮的切削效率和寿命。其次，通过优化磨削参数，如砂轮速度、进给量和切削深度等，来提高加工效率。此外，还可以采用自动化设备和智能控制技术，提高磨削加工的自动化水平和稳定性。

（三）研磨加工

研磨是一种类似于磨削的加工方法，采用更细腻的磨料颗粒进行加工，可以获得更高的加工精度和光洁度。研磨加工常用于对涡轮盘外圆进行细微调整和表面修整。然而，研磨加工也存在一些问题，如加工速度较慢、加工成本高，且对操作人员的技术要求较高。为了克服这些问题，可以采取一些措施。首先，选择合适的研磨工具和磨料颗粒，以提高研磨效率和降低成本。其次，通过优化研磨参数，如研磨速度、进给量和切削深度等，来提高加工效率。

二、超声波加工

（一）超声波加工原理

超声波加工利用超声振动的作用，将高频声波传导到工具和工件之间，通过振动使切削过程更为平稳和稳定。在超声波加工中，工具与工件之间保持一定的接触力，并施加超声波振动，使刀具在微小范围内进行微动切削。这种振动能够降低切削力和摩擦力，减少磨损和表面质量问题。

（二）超声波加工优点

超声波加工具有许多优点。首先，它可以有效减少加工时的切削力，降低对工件的应力和变形，提高加工精度。其次，超声波加工可以减少切削液的使用，节约成本并减少环境污染。此外，由于超声波的振动作用，还可以提高切削液的流动性，帮助排除切屑和冷却工具和工件。

（三）超声波加工局限性

尽管超声波加工具有许多优点，但也存在一些局限性。首先，超声波加工速度相对较慢，这限制了其在大批量生产中的应用。其次，超声波加工装夹方式相对复杂，需要特殊的夹具和支撑设备。此外，超声波振动的传导距离有限，可能受到工件尺寸和形状的限制。

（四）超声波加工改进与优化

为了克服超声波加工的局限性，研究人员提出了一些改进和优化措施。例如，通过调整超声波的频率、振幅和工作模式，可以更好地适应不同材料和加工要求。此外，改进加工工具的设计和材料选择，也可以提高加工效率和稳定性。另外，结合其他加工方法，如激光加工和电火花加工等，可以进一步拓展超声波加工的应用领域。

三、激光加工

（一）激光加工原理

激光加工利用激光束的高能量密度和高聚焦性，在工件表面产生高温和高压，使其材料蒸发或熔化。通过控制激光束的功率、频率和聚焦方式，可以实现对涡轮盘外圆的微细加工和非常规形状加工。激光加工具有无接触的特点，能够减少工件变形和切削力。

（二）激光加工优点

激光加工具有许多优点。首先，由于激光束是无接触的，可以避免因机械接触而引起的表面损伤和变形问题。其次，激光加工具有很高的加工精度和定位精度，可以实现微细加工和复杂形状的加工需求。此外，激光加工速度快，能够提高生产效率。同时，激光加工还具有较小的热影响区域和热变形，有助于保持工件的结构完整性。

（三）激光加工局限性

尽管激光加工具有许多优点，但也存在一些局限性。首先，激光加工对材料选择较为苛刻，只适用于能够与激光相互作用的材料，如金属和非金属等。其次，激光加工设备的成本相对较高，对于中小型企业来说可能难以承担。此外，激光加工过程中产生的烟尘和废气需要有效处理，以确保环境安全。

（四）激光加工改进与优化

为了克服激光加工的局限性，研究人员提出了一些改进和优化措施。例如，通过调整激光参数，如功率、频率和脉冲宽度等，可以更好地适应不同材料和加工要求。此外，改进激光加工设备的设计和技术，降低设备成本，提高加工效率和稳定性。另外，结合其他加工方法，如超声波加工和电火花加工等，可以进一步拓展激光加工的应用领域。

四、结语

本文主要研究了涡轮盘外圆精密加工技术，并对传统加工方法、超声波加工和激光加工进行了分析比较。通过实验验证和分析比较，得出了各种加工方法的优缺点，并提出了改进和优化的建议。综合考虑加工精度、加工效率、表面质量等因素，认为超声波加工在涡轮盘外圆精密加工中具有较大潜力。然而，超声波加工在装夹方式和加工速度上仍有待改进。激光加工作为一种新兴的非接触式加工技术，具有很大的发展前景，但其材料选择受限制，需要更多的研究和改进。

参考文献：

[1] 秦彬王子铭于建华张渝李勋.FGH96涡轮盘榫槽成形磨削加工技术研究[J].航空制造技术, 2022, 65(19):74-79.

[2] 刘立军,王均,袁应龙,等.GH4065A涡轮盘榫槽型面拉削加工变形研究[J].工具技术, 2023.

[3] 张瑞,刘鹏,崔传勇,等.国内航空发动机涡轮盘用铸锻难变形高温合金热加工研究现状与展望[J].金属学报, 2021(57).

[4] 于建华,李勋,丁志纯.涡轮盘榫槽加工工艺及变形控制方法研究[J].制造技术与机床, 2022(11):6.

[5] 苏雷,王渊,徐春,等.加工参数对高温合金涡轮盘表面精度的影响研究[J].机械, 2023, 50(2):54-60.