[发明专利]一种镍基高温合金涡轮前封严盘的磨削方法及磨削砂轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍基高温合金涡轮前封严盘的磨削方法及磨削砂轮，属于难加工材料及其结构高效精密加工工艺与工具技术领域。

背景技术

涡轮前封严盘是航空发动机的关键零部件，其结构特点主要为：轮盘最大外圆为Φ587mm，中空部分最小内径为Φ212mm，总高为55mm，壁厚最小仅为1.5mm，属于典型的薄壁盘类零件。轮盘整体型面由各种斜面、锥面和圆弧组成，结构复杂。同时，为了提高航空发动机性能，涡轮前封严盘通常采用镍基高温合金GH4169，属于典型的高强韧性难加工材料。车削、铣削加工方式无法达到涡轮前封严盘加工质量要求，只能采用磨削加工方法。涉及的主要磨削方式是平面磨削。

现阶段，涡轮前封严盘的磨削加工主要采用陶瓷结合剂CBN砂轮或陶瓷刚玉砂轮，存在着加工效率低、工具寿命短、质量一致性差的问题。以某航空发动机中使用的镍基高温合金涡轮前封严盘磨削为例，目前的磨削工艺参数为砂轮线速度20～30m/s、进给量为0.002～0.003mm/r、切深0.05～0.08mm，材料去除率为2mm³/s，加工效率低；而且砂轮寿命短，一片砂轮通常只能加工2个零件；此外，磨削过程极易发生磨削烧伤，磨削质量不稳定。这已成为制约镍基高温合金涡轮前封严盘的磨削技术水平无法满足现有航空发动机零件制造技术要求的重要原因。

分析问题的根源，主要在于：

（1）砂轮工作面磨粒容易脱落。由于陶瓷结合剂CBN砂轮或陶瓷刚玉砂轮依靠机械作用把持工作层磨粒，对磨粒的把持力无法满足镍基高温合金GH4169高效磨削要求，导致磨粒易因正常耗损而脱落，不仅降低了磨料的利用率，而且脱落的磨粒对零件已加工表面产生刮擦，破坏加工表面质量。因此，亟待通过钎焊方法实现对砂轮工作面磨粒的牢固把持。

（2）砂轮工作面磨粒无序分布，并且磨粒分布密度不合适。为了获得好的磨削表面质量，特别是表面粗糙度，要求砂轮工作面的磨粒处于优化排布状态，而均匀分布即是其中的一种重要形式。目前，在陶瓷结合剂CBN砂轮或陶瓷刚玉砂轮工作层内部，磨粒总是处于无序分布状态，并且磨粒分布密度不合适，导致无法在高效磨削过程中同时满足磨削加工表面质量要求。因此，在钎焊砂轮工作面实现磨粒均匀排布对于获得高磨削表面粗糙度非常必要。

（3）磨削工艺参数不合理。若选择大磨削工艺参数，则加工表面粗糙度无法满足要求；如选择小磨削工艺参数，则加工效率太低。无法同时实现高效率与高精度磨削，更无法同时完成粗加工与精加工。

在镍基高温合金材料磨削用钎焊CBN砂轮方面，经查询国内外的专利和论文数据库，分析后发现，目前主要采用的粘结材料包括Ag-Cu-Ti合金与Cu-Ti合金钎料，未提到采用Ti-Zr-Cu-Ni合金钎料的报道。例如，吉林大学汪春花在其硕士学位论文“钎焊立方氮化硼的焊接性与微结构”中描述了采用Cu-Ti合金钎料钎焊CBN磨粒，结果发现，Cu-Ti合金钎料钎焊CBN磨粒的问题主要在于，所制作的单层钎焊砂轮CBN磨粒内部存在较大的残余应力，降低了磨粒强度，使钎焊CBN磨粒产生热损伤；华侨大学陈建毅等在发表于《工具技术》2007年第2期的论文“钎焊超硬磨料工具的研究进展”、公开号为CN 101148036A的国家发明专利“半固态连接制作高性能单层钎焊立方氮化硼砂轮的方法”、印度理工大学A.Ghosh等在发表于《Industrial Diamond Review》2007年第1期的论文“On grit-failure of an indigenously developed single layer brazed CBN wheel”、南京航空航天大学丁文锋等在发表于《International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials》2011年第6期的论文“Brazed joints of CBN grains and AISI 1045steel with AgCuTi-TiC mixed powder as filler materials”中均阐述了采用Ag-Cu-Ti合金钎焊CBN磨粒的方法，但存在的问题主要在于，Ag-Cu-Ti合金钎料的成本高、耐磨性不足，导致砂轮寿命无法达到预期目标。