航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)切削技術(shù)應(yīng)用

■ 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 楊金發(fā) 楊 楠 楊惠欣 董 超 趙德新

高級(jí)工程師 楊金發(fā)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作，對(duì)材料和制造技術(shù)的依存度最為突出。航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件正向著高溫、高壓比及高可靠性方向發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)向著輕量化、整體化及復(fù)合化的方向發(fā)展，沒有先進(jìn)的材料和制造技術(shù)就沒有更先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對(duì)材料和加工技術(shù)的要求逼到了極限。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料主要為鈦合金、高溫合金等，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)還廣泛應(yīng)用復(fù)合材料。這些難加工材料切削難度體現(xiàn)在切削力大、切削溫度高、切屑不易折斷、刀具壽命低以及表面質(zhì)量不易保證等方面。

1. 難加工材料切削特點(diǎn)

鈦合金、高溫合金等難加工材料，切削難度體現(xiàn)在切削力大、切削溫度高、切屑不易折斷、刀具壽命低和表面質(zhì)量不易保證等方面，如圖1所示為國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖。

（1）不銹鋼的切削特性：加工硬化傾向大、切削力大、切削溫度高、刀具易磨損、表面質(zhì)量和精度不易保證。

（2）鈦合金性能特點(diǎn)： 鈦合金變形系數(shù)小、切削溫度高、單位切削力大、加工表面生成的硬化層厚度為0.10～0.15mm。目前鈦合金的切削加工選用的刀具材料以不含或者少含TiC 的硬質(zhì)合金刀具為主。

（3）高溫合金的性能特點(diǎn)：高溫合金切削力大、加工硬化嚴(yán)重、切削溫度高及刀具磨損嚴(yán)重。目前切削高溫合金所用刀具以硬質(zhì)合金刀具為主。

硬質(zhì)合金PVD 涂層刀片，使刀具表層具有較高的硬度和耐磨度，同時(shí)又保持了硬質(zhì)合金基體的塑性與韌性，非常有效地延長了刀具的使用壽命，比較適合高溫合金的車削加工。

2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料切削常用刀具

金屬切削加工是用刀具從工件上切除多余材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量等合乎要求的零件加工過程。難加工材料高效切削加工技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。刀具作為切削加工的主體之一，在解決航空材料的加工難題中起著不可或缺的作用。用于難加工材料的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷和立方氮化硼等。

（1）硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于難加工材料的切削，硬質(zhì)合金具有高的熱硬性，在很高的溫度下仍能保持其硬度，因此，硬質(zhì)合金刀具的切削速度是高速鋼刀具的3～6倍。

圖1 國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)

（2）硬質(zhì)合金涂層刀具：應(yīng)用涂層刀具要注意刀具涂層與被加工工件材質(zhì)的匹配性，只有選用的涂層與所加工的工件材質(zhì)很好的匹配，才能獲得理想的切削加工效果和提高刀具壽命，否則很有可能出現(xiàn)負(fù)面影響。根據(jù)不同的切削加工系統(tǒng)條件，采用合適的相應(yīng)涂層，就可以較好地解決刀具強(qiáng)度和韌性之間、切削速度與刀具壽命之間以及生產(chǎn)效率與加工成本之間的矛盾，大大提高切削速度和刀具的壽命，顯著提高切削航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料切削技術(shù)水平。

（3）陶瓷刀具：陶瓷刀具一般不在零件的精加工工序使用，以免高切削熱影響零件變形。陶瓷刀具與硬質(zhì)合金相比，比較脆，因此在切削過程中堅(jiān)決杜絕振動(dòng)現(xiàn)象。要求數(shù)控機(jī)床有足夠大的功率，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，進(jìn)給均勻。

在車削加工時(shí)，無論何時(shí)都要保證充足的冷卻液，冷卻液不會(huì)降低切削區(qū)域的溫度，卻可以大大提高刀具壽命，冷卻液必須澆注在切削面上，保證冷卻效果。對(duì)于不同硬度的材料要選用合理的切削參數(shù)及走刀路線，保證高效切削。

3. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料切削參數(shù)的選擇

航空難加工材料尤其是高溫合金，例如Incol718，具有高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕且耐高溫的難加工特性。加工時(shí)刀具磨損劇烈，在高的切削溫度下，刀具將產(chǎn)生嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損；加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，切削更加困難；加工過程中切削力大，為一般鋼材的2～3倍；導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性差，切削熱集中在刀尖附近，切削溫度高。

采用電抗子模塊分段投切的模塊化多電平換流器降電容方法//李鈺,李帥,趙成勇,許建中,曹均正//(19):90

切削參數(shù)是指切削速度、進(jìn)給量和切削深度，切削用量是調(diào)整機(jī)床、計(jì)算切削力、切削功率、工時(shí)定額及核算工序成本所必須的參數(shù)。

（1）切削參數(shù)對(duì)金屬去除率和刀具壽命的影響如下。①切削參數(shù)三個(gè)要素與金屬去除率都是成正比關(guān)系，如果任何一個(gè)參數(shù)增加20%，金屬切除率都會(huì)增加20%。②切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響：切削參數(shù)三個(gè)要素對(duì)刀具壽命的影響程度差別較大。在車削和銑削加工中，如果切削深度增加50%，刀具壽命約降低15%；如果進(jìn)給量增加50%，刀具壽命約降低60%；如果切削速度增加50%，刀具壽命約降低90%。由此可以看出，切削深度對(duì)刀具壽命的影響較小，進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響較大，切削速度對(duì)刀具壽命的影響最大。

（2）切削參數(shù)選擇原則有以下兩點(diǎn)。①切削速度的選擇原則，由于切削速度對(duì)刀具壽命的影響非常大，是決定加工效益的關(guān)鍵因素，因此，切削速度是需要確定的最關(guān)鍵變量。對(duì)于特定的切削加工，選擇的切削速度應(yīng)使生產(chǎn)率最大化或使每個(gè)零件的切削成本最小化。②切削深度和進(jìn)給量的選擇原則，由于切削深度對(duì)刀具壽命的影響較小，原則上可以選擇最大的切削深度；由于進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響略大，原則上可以選擇較大的進(jìn)給量。但是實(shí)際加工中，切削深度和進(jìn)給量的選擇會(huì)受到如下因素的限制：表面粗糙度要求限制了進(jìn)給量；刀片承受切削力的能力也限制了進(jìn)給量；機(jī)床、零件、刀具和夾具抵抗切削力的能力限制了進(jìn)給量和切削深度；需要從零件上去除的余量限制了削深度。

切削深度的選擇：粗加工時(shí)，在切削系統(tǒng)剛性允許的情況下，在能保證工序加工質(zhì)量的條件下，可以選擇大的切削深度，選擇的最大切削深度要考慮刀具形狀、切削刃長度和主偏角。精加工時(shí)，零件的剛性已經(jīng)變?nèi)?，需要去除的余量又不大，通常選用的切削深度較小，一般切削深度不應(yīng)超過刀尖圓弧半徑的1/3。但切削深度不宜過小，否則刀具在硬化層切削，或刀具不能進(jìn)行正常切削，只是在工件表面刮擦，這兩種情況都會(huì)降低刀具耐用度，而且加工表面的粗糙度欠佳。

進(jìn)給量的選擇：粗加工時(shí)，在切削系統(tǒng)剛性允許的情況下，如果刀具具有足夠的強(qiáng)度，可以選用較大的進(jìn)給量；精加工時(shí)，為了保證零件的表面粗糙度要求，選擇的進(jìn)給量較小。由于進(jìn)給量和刀具圓弧半徑是影響零件表面粗糙度的主要因素，因此最大進(jìn)給量不能大于理論計(jì)算值。

4. 典型結(jié)構(gòu)零件刀具及加工方法的選擇

（1）刀具的選擇：典型刀具如圖2所示，應(yīng)用于加工中心進(jìn)行高效切削的數(shù)控刀具不僅要強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性還要強(qiáng)。必須具備高的可靠性和切削穩(wěn)定性，質(zhì)量一致性，各批次刀具質(zhì)量一定要穩(wěn)定。安裝精度高、重復(fù)定位好，具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的斷屑、排屑性能。

刀具壽命管理：刀具固化后，刀具的加工壽命必須確定，及時(shí)更換刀具，保證零件的加工質(zhì)量，強(qiáng)化過程控制。

（2）刀具質(zhì)量控制：刀具裝夾前對(duì)刀具牌號(hào)、刀具類型以及刀具幾何參數(shù)等外柜質(zhì)量進(jìn)行檢查及確認(rèn)，典型數(shù)控機(jī)床如圖3所示。避免裝夾不合格刀具，帶來質(zhì)量隱患。

（3）在線測量刀具：運(yùn)用刀具檢測系統(tǒng)在加工制造過程中監(jiān)控加工中心的刀具狀況并進(jìn)行自動(dòng)刀具測量與設(shè)定，檢測刀具的幾何參數(shù)，能及早偵測到刀具的選用錯(cuò)誤與預(yù)設(shè)刀具數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，同時(shí)及早得知刀具是否破損或磨損，通常有刀長與刀具直徑的測量、刀具折斷監(jiān)控以及單一切削刃監(jiān)控等功能。

圖2 典型刀具

圖3 數(shù)控機(jī)床

（4）整體葉輪銑削時(shí)刀具的選擇有如下幾點(diǎn)。

粗加工刀具：一般采用插銑刀、U鉆、飛碟銑刀、用于層銑的機(jī)夾類銑刀、整體硬質(zhì)合金類圓鼻銑刀和球頭銑刀。

精加工刀具：一般采用整體硬質(zhì)合金球頭銑刀、圓鼻銑刀或帶錐度的整體硬質(zhì)合金球頭銑刀。

刀柄選擇原則：粗加工刀柄，裝夾插銑刀和U鉆時(shí)一般選擇強(qiáng)力刀柄。裝夾插銑刀、U鉆、飛碟銑刀、機(jī)夾類銑刀或整體硬質(zhì)合金類銑刀的刀柄使用普通ER刀柄即可。

精加工刀柄：一般采用熱脹刀柄和高精度的液壓刀柄，減少接刀，提高葉片表面質(zhì)量。

（5）薄壁零件切削加工變形控制及加工方法改進(jìn)。

在加工薄壁零件時(shí)，零件容易變形，在機(jī)械加工的過程中會(huì)產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力。變形主要為應(yīng)力釋放變形和受力變形。

薄壁零件切削加工中產(chǎn)生變形的原因主要有以下幾個(gè)方面：機(jī)床本身的剛性和精度限制；數(shù)控編程中走刀軌跡的合理性；刀具的磨損和振動(dòng)；切削力作用；零件受夾具施加的夾緊力作用變形；其他一些隨機(jī)因素。在以上影響因素中，由于工件的剛度不足和銑削力所引起的工件變形、殘余應(yīng)力引起的加工變形是影響加工質(zhì)量的主要因素。

改進(jìn)措施如下：①毛料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于零件壁厚薄，整個(gè)零件為整體鍛件結(jié)構(gòu)。可以有效避免內(nèi)部應(yīng)力釋放引起的變形問題，提高了零件結(jié)構(gòu)尺寸精度和位置精度。②工藝路線優(yōu)化。造成零件尺寸精度低，技術(shù)條件難以保證。優(yōu)化后采用車、銑、鉆、鏜合并加工。在銑端面及鉆鏜孔工序中將要求最為嚴(yán)格的安裝座放在最后加工，零件變形減小，尺寸及技術(shù)條件易于保證。③精車、銑削零件及鉆孔中采用輔助支撐。在夾具設(shè)計(jì)中采用徑向可調(diào)輔助支撐提高零件徑向剛性，從而增強(qiáng)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)在夾具設(shè)計(jì)上可實(shí)現(xiàn)快速換裝的輔助支撐，以減小零件切削加工過程中的振顫，從而控制零件的加工變形。④優(yōu)化數(shù)控加工走刀路徑。⑤優(yōu)化檢測方法。采用在線測量技術(shù)，極大地方便了檢測，提高了效率。

5. 結(jié)語

一代新材料、一代新型發(fā)動(dòng)機(jī)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)應(yīng)大力研究難加工材料切削技術(shù)、先進(jìn)刀具的應(yīng)用技術(shù)、精度與表面質(zhì)量控制以及工件變形預(yù)測與補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。建立綜合優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)體系和切削仿真試驗(yàn)驗(yàn)證體系。大力加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)切削加工過程控制，促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平不斷提升。

[1] 王聰梅. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件機(jī)械加工 [M]. 航空工業(yè)出版社，2014.

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