一种涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法

1.本发明属于航空发动机零件结构特征的抗疲劳制造技术领域，具体涉及一种涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法。


背景技术：

2.航空发动机涡轮盘是发动机的重要热端转子部件。涡轮盘在工作过程中受到高温、循环应力的共同作用，极易在榫槽结构的应力集中处发生疲劳断裂破坏，进而引发航空事故。
3.航空发动机涡轮盘的疲劳断裂常发生在榫槽凹圆弧处，此处也是涡轮盘榫槽在工作中的应力集中区。为此，需要对涡轮盘榫槽凹圆弧表面进行强化加工，提高涡轮盘的表面性能，避免由于疲劳造成断裂破坏，进而发生航空事故。目前，机械加工表面常用的强化方法包括机械喷丸强化、激光冲击强化以及表面挤压强化等。但是，如果采用上述加工工艺方法对涡轮盘榫槽凹圆弧表面进行强化加工，则会存在以下缺点：
4.对于机械喷丸强化以及激光冲击强化的加工方法，涡轮盘榫槽的宽度较小、轮廓形状极为复杂，机械喷丸强化的喷嘴位置和喷射角度、激光冲击强化的光路都很难进行优化设定，会导致表面强化的效果不能达到设计要求，因此限制了机械喷丸强化和激光冲击强化在涡轮盘榫槽表面强化方面的应用。此外，机械喷丸强化和激光冲击强化都会大幅提升强化表面的表面粗糙度，影响榫槽的整体轮廓精度，从而导致机械喷丸和激光冲击强化在涡轮盘榫槽表面上并未得到推广应用。
5.对于表面挤压强化加工方法，一般情况下，表面冷挤压强化多用于孔壁表面或其它封闭、规则形状表面的强化加工。而涡轮盘榫槽的轮廓复杂、材料性能极佳，对挤压工具的形状精度、材料强度和耐磨性的要求很高，因此很难通过精确控制挤压工具的尺寸来实现不同表面挤压量，也就极大限制了表面冷挤压强化在涡轮盘榫槽轮廓表面强化方面的应用。
6.因此，需要提供一种对涡轮盘榫槽凹圆弧表面进行强化加工的方法。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.因此，为解决现有技术中存在的对涡轮盘榫槽凹圆弧表面进行强化加工时实现难度大、强化效果不佳和自动化程度不高的问题，本发明提供依一种涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法。
9.(二)技术方案
10.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
11.一种涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法，包括如下步骤：
12.s1：设计具有凸圆弧的滚压头，所述滚压头的凸圆弧与涡轮盘榫槽涡轮盘榫槽上的凹圆弧榫槽凹圆弧的形状相吻合；所述滚压头的直径小于滚压头与涡轮盘榫槽涡轮盘榫
槽的滚压接触点处的最小宽度；所述凸圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角小于榫槽凹圆弧榫槽凹圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角；
13.s2：将涡轮盘与滚压头分别安装在数控机床的工作台以及主轴端的刀柄上，所述滚压头通过装配组件安装在所述刀柄内，所述滚压头能够相对所述装配组件以及所述刀柄旋转；
14.s3：通过数控机床调整滚压头的凸圆弧与涡轮盘榫槽单侧轮廓中的一个榫槽凹圆弧相接触，并调整滚压头与榫槽凹圆弧榫槽凹圆弧表面的预压量；
15.s4：编制滚压数控程序，通过刀柄的移动控制滚压头的运动轨迹，使滚压头滚压强化过程中的预压量与步骤s3中的预压量一致，对榫槽凹圆弧榫槽凹圆弧进行表面强化加工。
16.如上所述的涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法，优选地，步骤s1中，滚压头的直径比滚压头与涡轮盘榫槽的滚压接触点处的最小宽度小0.5-1.5mm。
17.如上所述的涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法，优选地，步骤s1中，凸圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角α比榫槽凹圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角β小5-15
°
。
18.如上所述的涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法，优选地，步骤s2中，将涡轮盘与滚压头分别安装在数控机床的工作台以及主轴端的刀柄上后，使滚压头的中心轴线与涡轮盘榫槽的对称平面平行。
19.如上所述的涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法，优选地，步骤s2中，所述装配组件包括安装外套以及轴承；所述安装外套固定在所述刀柄的内部，所述轴承设置在所述安装外套以及所述滚压头之间；所述滚压头的旋转轴线与所述涡轮盘榫槽的对称平面平行。
20.(三)有益效果
21.本发明的有益效果是：
22.本发明将作为滚压强化工具的滚压头安装在数控机床的到刀柄上，涡轮盘安装在数控机床的工作平台上，保证滚压头的直径小于滚压头与涡轮盘榫槽的滚压接触点处的最小宽度，从而通过数控机床的运动轴对滚压量进行精确、便捷的控制。本发明还可以利用数控机床的自动换刀系统实现不同尺寸滚压头的自动更换，便于实现榫槽凹圆弧滚压加工的自动化。
23.另外，本发明保持凸圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角小于榫槽凹圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角，保证滚压头的凸圆弧在加工过程中只与涡轮盘榫槽单侧轮廓中的一个榫槽凹圆弧相接触，减少滚压过程中滚压头与榫槽凹圆弧以外位置的接触，能够减小滚压头与榫槽凹圆弧的接触线长度，提高滚压加工的接触应力，实现涡轮盘榫槽凹圆弧处的塑性变形强化加工。滚压强化是一种无切削加工工艺，加工过程中不会产生废屑、废液，对环境较为友好，还能够降低榫槽凹圆弧表面的粗糙度。
附图说明
24.图1为本发明中滚压强化加工方法的流程示意图；
25.图2为本发明中涡轮盘榫槽榫齿的轮廓图；
26.图3为本发明中滚压头与榫槽凹圆弧的接触位置图；
27.图4为本发明中榫槽凹圆弧的结构示意图；
28.图5为本发明中滚压头的结构示意图；
29.图6为本发明中滚压头的滚压运动轨迹示意图。
30.【附图标记说明】
31.1：涡轮盘；2：涡轮盘榫槽；3：榫槽凹圆弧；4：安装外套；5：轴承；6：滚压头；7：弹簧卡箍；8：滚压头的运动轨迹；
32.31：第三连接面；32：第四连接面；61：凸圆弧；62：第一连接面；63：第二连接面。
具体实施方式
33.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
34.实施例1
35.一般情况下，涡轮盘需要进行机械加工、表面强化加工等多道工序。其中机械加工是指对涡轮盘进行切削，获得涡轮盘上榫槽的基本形状。机械加工之后，往往还需要对涡轮盘榫槽进行表面强化加工以提升涡轮盘榫槽的抗疲劳性能。机械加工一般在数控机床上进行，将涡轮盘固定在数控机床的工作平台上，利用主轴带动安装在刀柄上的铣刀等对涡轮盘进行切削加工。
36.如图1-图6所示，本实施例提供一种发生在机械加工完成之后的涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法。
37.在介绍本实施例的方法之前，首先对涡轮盘的基本结构以及端面进行简单说明：如图2以及图4所示，涡轮盘1上包括若干相同的涡轮盘榫槽3，每一个涡轮盘榫槽3内包括若干个榫齿。涡轮盘极易在榫槽结构的应力集中处，也就是榫齿处发生疲劳断裂破坏，进而引发航空事故。因此，本实施例对涡轮盘榫槽进行表面强化加工时，仅考虑对图4中所指的榫槽凹圆弧3进行表面滚压强化，与榫槽凹圆弧3两侧的第三连接面31以及第四连接面32不进行滚压加工。
38.涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压强化加工方法包括如下步骤：
39.s1：设计具有凸圆弧61的滚压头6，使滚压头6的凸圆弧61与涡轮盘榫槽2上的榫槽凹圆弧3的形状相吻合。具体地，本实施例中，滚压头6需要满足以下两个条件：首先，滚压头6的直径小于滚压头6与涡轮盘榫槽2的滚压接触点处的最小宽度。滚压接触点指的是涡轮盘榫槽中需要进行加工的位置，即榫槽凹圆弧3。其次，凸圆弧61的两个端点所在的切线形成的夹角小于榫槽凹圆弧3的两个端点所在的切线形成的夹角。如图所示，滚压头6整体呈现台体形状，包括凸圆弧面61、与凸圆弧面61两侧连接的第一连接面62以及第二连接面63。其中第一连接面62以及第二连接面63可以为倾斜的平面，也可以为曲面，优选为图5中倾斜的平面，且第一连接面62和第二连接面63形成的夹角即为凸圆弧61的两个端点所在的切线形成的夹角。同样地，第三连接面31以及第四连接面32可以是倾斜的平面，也可以是曲面，优选为平面，当第三连接面31和第四连接面32为平面时，第三连接面31与第四连接面32形成的夹角即为榫槽凹圆弧3的两个端点所在的切线形成的夹角。
40.s2：将涡轮盘与滚压头6分别安装在数控机床的工作台以及主轴端的刀柄上，滚压
头6通过装配组件安装在刀柄内，并且滚压头能够相对装配组件以及刀柄自由旋转。
41.s3：通过数控机床调整滚压头6的凸圆弧61与涡轮盘榫槽单侧轮廓中的一个榫槽凹圆弧相接触，并调整滚压头6与榫槽凹圆弧3表面的预压量。
42.s4：编制滚压数控程序，通过刀柄的移动控制滚压头6的运动轨迹，使滚压头6滚压强化过程中的预压量与步骤s3中的预压量保持一致，对榫槽凹圆弧3进行表面强化加工。
43.步骤s1中，滚压头6的直径小于滚压头6与涡轮盘榫槽2的滚压接触点处的最小宽度，能够保证通过数控机床的运动轴对滚压量进行精确、便捷的控制。优选地，滚压头6的直径比涡轮盘榫槽2的滚压接触点处的最小宽度小0.5-1.5mm。
44.而保持凸圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角小于榫槽凹圆弧的两个端点所在的切线形成的夹角，即在滚压强化过程中保证滚压头的凸圆弧在加工过程中只与涡轮盘榫槽的凹圆弧面的一侧相接触，能够减少滚压强化加工过程中滚压头6与榫槽凹圆弧3以外位置的接触，这样能够减小滚压头6与榫槽凹圆弧3的接触线长度，提高滚压加工的接触应力，实现涡轮盘榫槽凹圆弧处的塑性变形强化加工，避免因为滚压头6中的第一连接面62以及第二连接面63与涡轮盘榫槽中的第三连接面31以及第四连接面32接触过多，造成滚压力分散而得不到应有的滚压强度和效果。优选地，为了使滚压头6与涡轮盘榫槽之间具有合适的接触面积，凸圆弧61的两个端点所在的切线形成的夹角比榫槽凹圆弧3的两个端点所在的切线形成的夹角小5-15
°
。如果夹角小于该范围，则滚压头和涡轮盘榫槽的接触面积过大，无法保证滚压加工强度；如果夹角大于该范围，则滚压头和涡轮盘榫槽的接触面积过小，而滚压头本身结构较小，接触面积过大会使得滚压头在加工过程中受力过大，容易造成损坏。
45.步骤s3中，滚压头本身结构较小，因此，滚压头6的凸圆弧61每次只与涡轮盘榫槽单侧轮廓中的一个榫槽凹圆弧相接触，即滚压头6每次只加工单侧榫槽中的一条榫槽凹圆弧，以保证加工强度和加工效果。
46.涡轮盘榫槽并非严格意义上的水平直线结构，其本身具有一定的倾斜程度，因此，加工过程中滚压头的路径可能为斜线。为了保证整个滚压强化加工过程中滚压头对涡轮盘榫槽的预压量稳定，步骤s4中，通过滚压数控程序保证整个滚压加工过程中预压量与步骤s3中预设的预压量一致，保证整个滚压加工过程中具有稳定的预压量，进而保证稳定的滚压效果。
47.优选地，步骤s2中，将涡轮盘1与滚压头6分别安装在数控机床的工作台以及主轴端的刀柄上后，使滚压头6的中心轴线与涡轮盘榫槽2的对称平面保持平行，以便滚压头6向涡轮盘榫槽施加较为均匀的滚压力。
48.本实施例将作为滚压强化工具的滚压头6安装在数控机床的到刀柄上，涡轮盘1安装在数控机床的工作平台上。当涡轮盘在数控机床上完成机械加工后，无需将涡轮盘从数控机床的工作平台上拆除即可进行滚压强化。现有技术中，涡轮盘榫槽的机械在数控机床上进行，机械加工完成之后进行表面强化加工时，需要将涡轮盘拆下来再进行表面强化加工。然而，本实施例在涡轮盘完成机械加工后不需要拆除，直接将机械加工用的刀具更换为本实施例中的滚压头，通过数控机床的主轴控制滚压头的运动即可实现滚压强化加工，避免了涡轮盘的重新安装，能够在原来的控制轨迹下进行加工，加工的精度比较高，操作也较为方便。另外，本实施例还可以利用数控机床的自动换刀系统实现不同尺寸滚压头的自动
更换，便于实现榫槽凹圆弧滚压加工的自动化。
49.优选地，步骤s2中，装配组件包括安装外套4以及轴承5。安装外套4固定安装在刀柄的内部，轴承5设置在滚压头6与安装外套4之间，以使滚压头6能够相对所述安装外套4自由旋转。另外，滚压头6还通过弹簧卡箍7与安装外套4连接。通过上述安装结构，在步骤s4的滚压加工过程中，刀柄在数控机床的控制下做直线运动，使得滚压头6相对安装外套4做旋转运动，滚压头6沿着榫槽运动的动力来源于滚压头6与涡轮盘榫槽2之间的摩擦力。
50.本实施例并未通过主轴的旋转来带动滚压头进行旋转运动，而是通过主轴带动安装外套水平移动，进而带动滚压头实现旋转，进行滚压强化加工，具体原因为：
51.首先，滚压头6尺寸很小，一般直径约为几毫米，然而数控机床中的主轴和刀柄尺寸较大，不容易实现较为精细的小尺寸的移动，因此无法实现对较小的涡轮盘榫槽的滚压加工。其次，数控机床的主轴和刀柄本身的旋转速度很快，如果直接带动滚压头旋转进而对涡轮盘榫槽进行滚压加工，那么滚压速度会过快，导致滚压强化的效果不佳。
52.参照图6中滚压头的运动轨迹，本实施例中，主轴也就是安装外套4在数控机床的作用下直线运动，运动轨迹为直线，滚压头6沿着图中带有箭头的
①②③④
路线进行滚压加工。
53.本实施例通过对涡轮盘的榫槽凹圆弧面加压，通过改变涡轮盘的物理形态使榫槽凹圆弧面产生硬化以提高涡轮盘的性能、质量以及使用寿命，同时降低榫槽凹圆弧表面的粗糙度。另外，滚压强化是一种无切削加工工艺，加工过程中不会产生废屑、废液，对环境较为友好。
54.以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。