航空發(fā)動機難加工材料的車削解決方案

■瓦爾特公司供稿

航空發(fā)動機難加工材料的車削解決方案

■瓦爾特公司供稿

ISO-S難加工材料組中的兩個子類鈦合金和高溫合金在航空發(fā)動機零部件中應(yīng)用廣泛，如軸、整體葉盤、機匣等復雜零部件。這類材料的切削性能極差，容易粘結(jié)，加工中易生成積屑瘤；導熱性非常差，切削中生成的熱量大部分都無法傳導給切屑帶走，切削區(qū)溫度非常高，造成刀具磨損嚴重。

在實際應(yīng)用中，通常采用低切削參數(shù)來減緩刀具磨損和確保零件質(zhì)量，導致產(chǎn)品的加工效率受到限制，并且生產(chǎn)成本居高不下。作為金屬切削刀具行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)，瓦爾特緊密關(guān)注航空發(fā)動機難加工材料的發(fā)展，致力于開發(fā)創(chuàng)新的刀具產(chǎn)品和解決方案，提高難加工材料的切削加工效率、降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。

鈦合金和高溫合金常常使用相同類型的刀片進行加工。但在ISO-M材料（不銹鋼和耐腐蝕鋼）的切削中已經(jīng)得到了驗證：所用的刀具材料和槽形需要有所區(qū)別才能更高效。為獲得最佳的切削性能和最高的刀具壽命，有必要為鈦合金和高溫合金分加別制定加工方案。對于鋼和鑄鐵加工，通用的可轉(zhuǎn)位刀片可能是最經(jīng)濟的方法，但是在ISO-S材料范圍內(nèi)，專門的解決方案往往能獲得更好的加工效果。

鈦合金切削時容易產(chǎn)生由擴散引起的月牙洼磨損。刀片材料中的碳粒子流入切屑，刀片受到侵蝕，切削區(qū)域會逐漸減弱。工件堅硬的鍛造表皮，材料的高強度增大了崩刃和塑性變形的風險。材料的彈性模量低，增大了振動的傾向。切削刃一但有積屑瘤形成，刀片很快就會崩刃。而且這些失效現(xiàn)象會隨著材料合金晶相中的β相的百分比增大而增強。Ti6Al4V是廣泛使用的材料，它同時含有α相和β相組織，是非常難加工的材料。而新材料Ti-5553是一種高純β相合金，它更加難切削，切削速度只有Ti6Al4V的一半。但是，由于鈦合金優(yōu)異的比強度優(yōu)勢，逐漸成為飛機起落架和結(jié)構(gòu)零件的理想材料。

圖1

為此，瓦爾特專門設(shè)計了Sky·tec?系列三種車削刀片槽形NFT、NMT和NRT（見圖1）。Sky·tec?鈦合金系列刀片具有專用的、窄的斷屑槽，這是為了獲得良好的車削加工斷屑效果所采取的改進，優(yōu)化切屑的形狀，即使是在刀片磨損的狀態(tài)下。NRT粗加工槽形的具有特別穩(wěn)定的斷屑槽結(jié)構(gòu)，倒棱較寬，可承受大切深和大進給車削，并有效控制月牙洼磨損。半精加工NMT槽形穩(wěn)定性好，曲線的切削刃，用以減小切削力，降低切削溫度，同時更易形成短切屑。NFT精加工槽形優(yōu)化的鋒利切削刃，加工更輕快，刃口周邊全磨削，保證

加工的高精度。從外觀上看，這一系列的刀片都沒有采用涂層設(shè)計，因為瓦爾特選擇了抗月牙洼磨損效果最好的刀片基體材料，而涂層則不會帶來明顯的幫助，反而會影響到刃口的鋒利性，帶來切削力和切削溫度增加的不利結(jié)果。

一個鈦合金機匣粗車的案例，材料為Ti6Al4V，過去采用與切削ISO-M材料通用的槽形，現(xiàn)在嘗試采用Sky·tec?系列解決方案來提升加工壽命。使用相同的切削參數(shù)（vc=55m/min，f= 0.4mm/r，ap=2.3mm），使用粗加工NRT槽形和WS10材質(zhì)刀片，幫助制造商達成了優(yōu)化目標，同時在加工過程中形成一致的短切屑，確保了加工過程穩(wěn)定可靠。

對于高溫合金零件車削，切削刃的塑性變形、積屑瘤和溝槽磨損是刀片失效的主工原因。在高溫合金切削過程中，切屑常常沖擊可轉(zhuǎn)位刀片的后刀面，形成很大的沖擊力，刀片面臨著崩刃的風險，同時材料加工硬化會讓刀片形成溝槽磨損。風險疊加，一方面要求刀片有相對穩(wěn)定的切削刃，另一方面，更加重要的是要求刀片有較為鋒利的槽形。這就向研發(fā)人員提出了調(diào)和這兩種的要求的挑戰(zhàn)。

瓦爾特研制了專門用于高溫合金材料車削的NMS和NRS槽形（見圖2）。與鈦合金系列的窄斷屑槽相反，NRS和NMS槽形需要有較大的切屑變形空間，如果高溫合金的切屑變形太過劇烈而產(chǎn)生加工硬化，則刀片會迅速損壞。NRS槽形具有較寬的斷屑槽，可以保持較深的切削深度，適合于粗加工，而NMS槽形的斷屑槽稍窄，適合用于較小切深的半精加工和精加工。為了確保獲得鋒利的切削刃，NMS和NRS槽型都采用了大前角設(shè)計和極小的刃口鈍化處理。與鈦合金Sky· tec?系列采用無涂層設(shè)計不同的是，NMS和NRS槽型的刀片都結(jié)合了PVD Al2O3涂層，因為對于高溫合金，具有高硬度、高熱穩(wěn)定性和化學性能的先進涂層技術(shù)可以顯著提高刀具壽命。瓦爾特為這兩種槽形提供了 WSM10和WSM20兩種PVD Al2O3涂層的刀片材質(zhì)，PVD涂層溫度低，刀片韌性好，刃口更鋒利，Al2O3涂層起到了高效的絕熱體的作用。

圖2

一個車削Inconel 625高溫合金的案例，在加工過程中，客戶將瓦爾特的NMS WSM10材料與其它切削刀具供應(yīng)商推薦的ISO-M和ISO-S材料通用的可轉(zhuǎn)位刀片作了比較。測試中，切削參數(shù)保持不變（vc=50m/min，f=0.2mm/r，ap=3mm）。在僅僅18min后，由于切削刃上的溝槽磨損和崩刃，而刀片失效。而由瓦爾特的NMS槽形的刀具直到33min后，還沒有任何溝槽磨損。就加工件數(shù)量來說，瓦爾特以11對6，取得了勝利。

同樣的設(shè)計理念，瓦爾特也應(yīng)用到了車槽刀片的設(shè)計上，專門開發(fā)了針對高溫合金材料仿形車削用的圓頭槽刀片槽型RF8系列（見圖3）。該槽型采用全刃口磨削處理的方式，保證了刀片的鋒利性和精度，實現(xiàn)最小的切削力，在加工薄壁零件時可以防止加工變形，保證產(chǎn)品精度。瓦爾特為RF8槽型量身定制了WSM13S和WSM23S兩種PVD Al2O3涂層的刀片材質(zhì)，得益于最佳基體與涂層的結(jié)合，使得刀片具有最出色的壽命。

圖3　RF8-高溫合金圓頭槽刀片

同樣來自發(fā)動機客戶的應(yīng)用案例，R E N E41材料的支撐環(huán)，有一段長度90m m、厚度1.9m m±0.1的圓錐面需要精車，原用刀片在加工一半時已嚴重磨損，只能停車轉(zhuǎn)位，這樣尺寸很難控制，并且有明顯的接刀痕，采用瓦爾特R F8 WSM13S的刀片后，切削參數(shù)不變（vc=20m/min，f= 0.12mm/r，ap=0.15mm），用一個刃口即完成了該圓錐面的精加工，尺寸穩(wěn)穩(wěn)地保持在公差內(nèi)，沒有接刀痕，不需停車，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

收稿日期：（20150722）