難加工材料高效高速加工探討

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件大量采用難加工材料鈦合金、高溫合金等，這些難加工材料的高效切削技術(shù)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章通過對(duì)難加工材料斷續(xù)切削和高溫合金整體環(huán)形機(jī)匣加工工藝的研究，摸索出了如何優(yōu)化刀具方案和切削參數(shù)，改進(jìn)工藝路線和加工程序提高難加工材料零件的效率的方法。

關(guān)鍵詞：難加工材料；斷續(xù)切削；環(huán)形機(jī)匣；高溫合金；切削參數(shù)；加工策略；走刀路線

中圖分類號(hào)：TG501 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）29-0050-02

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)正向著整體化、復(fù)雜化方向發(fā)展，難加工材料鈦合金、高溫合金等廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，這些難加工材料的高效切削技術(shù)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)難加工材料高效高速加工的關(guān)鍵在于：優(yōu)選刀具的材料，高性能高速鋼，新型硬質(zhì)合金，涂層刀具，陶瓷刀具，CBN刀具和金剛石刀具；選擇合理的切削參數(shù)；采用合理的加工策略和走刀路線。

1 難加工材料斷續(xù)切削高速高效加工

斷續(xù)切削是指當(dāng)零件表面不規(guī)則，刀具的切削方式不連貫或吃刀量不均勻。斷續(xù)切削產(chǎn)生的沖擊力加快了刀具的磨損，特別是難加工材料的斷續(xù)切削，刀具的消耗量是連續(xù)切削5倍以上。

1.1 優(yōu)化刀具方案，提高斷續(xù)切削加工效率

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣機(jī)匣為焊接環(huán)形機(jī)匣，由多個(gè)葉片連接內(nèi)腔與外圓，外圓及內(nèi)腔上有許多空心凹槽，零件內(nèi)外加工面為斷續(xù)切削（圖1），其材料為GH738，可加工性差，加工刀具既要求硬度高，又要求耐沖擊。

圖1 排氣機(jī)匣

原工藝采用55度外圓車刀，更換了不同的廠家與材質(zhì)的刀具進(jìn)行加工（試刀情況如表1所示），由于材料硬度高，加工3分鐘左右就出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象，刀具損耗大，加工的零件表面質(zhì)量較差。

表1 XX10的排氣機(jī)匣試刀情況

為了解決這個(gè)問題，采用最耐沖擊的圓刀片來進(jìn)行加工，選用Φ12的圓形刀片（如圖2），通過試切確定合理的加工參數(shù)：線速度為25m/min，進(jìn)給為0.15，轉(zhuǎn)速根據(jù)外圓尺寸在15～102rpm/min之間，刀片的磨損為較正常的溝槽磨損，并且一片刀片可以加工30min。再采用55度橫裝外圓刀清除根部余量，加工出來的零件表面粗糙度較好，沒有震刀紋（如圖3）。

圖2 選用Φ12的圓形槽刀 圖3 使用圓形刀片加工

的排氣機(jī)匣

通過改變刀具方案，單片刀具的加工時(shí)間由原來的3min/片提高到了30min/片，單件刀具成本由原來的500元/件降低到150元/件，刀具成本大幅降低，零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率大幅提高。

1.2 優(yōu)化工藝方案，提高斷續(xù)切削的效率

在數(shù)車加工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)切削的情況，除了考慮用材質(zhì)好耐沖擊的刀具外，還可以在工藝安排上進(jìn)行調(diào)整，如某型號(hào)的渦輪機(jī)匣后段，原工藝是先進(jìn)行鉆孔和加工腰形槽，再進(jìn)行車削內(nèi)腔型面。加工一件需要消耗7片55度外圓刀片，刀具成本是700元/件。

圖4 渦輪機(jī)匣后段數(shù)車毛坯填充低溫熔點(diǎn)合金

工藝路線可調(diào)整為先進(jìn)行車削加工，再進(jìn)行鉆孔。當(dāng)不能調(diào)整工藝時(shí)，在確保無多余物殘留的情況下，可以用低溫熔點(diǎn)合金填堵車削表面的孔，減少切削時(shí)對(duì)刀具的沖擊，加工完成后再將其溶化（如圖4）。

通過調(diào)整工藝方案，可有效避免斷續(xù)切削，降低斷續(xù)切削對(duì)刀具的沖擊，刀具的消耗量從原來的7片55度外圓刀片/件，降低至4片/件。

2 難加工材料環(huán)形機(jī)匣高速高效加工

老機(jī)型的高溫合金環(huán)形機(jī)匣的安裝座和噴嘴是焊接在機(jī)匣表面上，再精加工組合面。采用此類工藝，零件容易變形，尺寸精度難以保證。目前新機(jī)型的環(huán)形機(jī)匣，尺寸精度要求較高，安裝座和噴嘴是通過銑削加工成型的，余量去除率高，加工刀具容易與零件干涉，加大了機(jī)械加工的難度。如在加工材料為GH4169的渦輪機(jī)匣中段時(shí)，為整體環(huán)型鍛造毛坯，工藝要求銑削出分布不均，大小不一的凸臺(tái)。

2.1 采用機(jī)夾刀片式銑刀降低刀具成本

采用整體的硬質(zhì)合金刀具粗加工，刀具磨損后，需更換整把刀具，成本高。而采用機(jī)夾刀片式銑刀進(jìn)行粗加工，刀具磨損后，只需更換刀片。

如Φ16的整體硬質(zhì)合金銑刀根據(jù)質(zhì)量的高低，價(jià)格為1200～2300元/把，通?？梢孕弈ト?，加工GH4169，切寬為2.4mm，切深5mm，線速度為20m/min，轉(zhuǎn)速390rpm，進(jìn)給率60mm/min，刀具的總加工時(shí)間為120min，平均每加工1h的刀具成本是600～1150元。而采用Φ16的機(jī)夾刀片銑刀，刀桿的價(jià)格為1800～2200

元/把，正常使用總的加工時(shí)間可以超過200小時(shí)/把，刀片70～120元/片，同樣的切削參數(shù)和加工條件，兩個(gè)刀片可以加工140min，平均每加工1h的刀具成本是39～63元。采用機(jī)夾刀片式刀具，可以大幅降低刀具成本。

2.2 采用宏程序?qū)崿F(xiàn)變切深加工

由于高溫合金表面硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，刀具同一位置在硬化層上切削，刀具容易出現(xiàn)溝槽磨損。采用變切深加工（如圖5），可以避免刀具的同一位置一直在硬化層切削的情況。

計(jì)算機(jī)輔助編程，實(shí)現(xiàn)變切深，需修改軟件中的特定參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)，編制出來的程序過于繁瑣，且在現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)，不能隨意調(diào)整切深。采用宏程序?qū)崿F(xiàn)變切深加工，充分利用了數(shù)控機(jī)床的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，定義變量來調(diào)整加工深度和深度遞減量，在加工過程中可以有效減輕刀具溝槽磨損。

程序示例：

2.3 車銑在環(huán)形機(jī)匣中的應(yīng)用

環(huán)形機(jī)匣的安裝座和噴嘴之間有大量的余量需要去除，如采用UG自動(dòng)編程，加工路徑是通過多次分度擬合一個(gè)圓弧面或者圓錐面。用這種加工策略，加工出來的圓弧面實(shí)際為多邊形，表面質(zhì)量差。而且采用往復(fù)走刀，來回走刀的次數(shù)較多，加工效率低。在四軸或五軸數(shù)控加工中心，零件繞著機(jī)床的回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，刀具的側(cè)刃切削旋轉(zhuǎn)的零件，這種類似于車削的加工策略，稱之為車銑。采用車銑的加工策略進(jìn)行加工，可以減少走刀的時(shí)間，采用側(cè)刃切削，刀具與零件的接觸面積較小，加工時(shí)的軸向力較小，零件不容易變形（如圖6）。

圖5 變切深加工 圖6 往復(fù)銑和車銑的加工情況對(duì)比

3 結(jié)語

本文通過優(yōu)化加工工藝，選擇合適的刀具方案和切削參數(shù)，制定合理的程序路徑，采用宏程序編制數(shù)控程序可以利用數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加工路徑。通過參數(shù)控制加工切削參數(shù)和走刀路徑，便于在試加工中調(diào)整加工方案，可以有效地提高高溫合金的切削效率。

作者簡(jiǎn)介：寧雄（1982-），男，廣西陸川人，中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件先進(jìn)加工制造技術(shù)。