航空發(fā)動(dòng)機(jī)切削技術(shù)探索與實(shí)踐

■ 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 （遼寧沈陽 110043） 楊金發(fā) 劉亞莉 朱麒元

高級(jí)工程師 楊金發(fā)

歐美發(fā)達(dá)國家的切削技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。大部分先進(jìn)加工技術(shù)、加工設(shè)備和切削刀具皆出自歐美國家。先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖1）對(duì)材料和制造技術(shù)要求極高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料主要為鈦合金、高溫合金等，廣泛應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料。在切削加工時(shí)切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重及刀具磨損嚴(yán)重等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料切削對(duì)刀具的可靠性提出了嚴(yán)格的要求。

1. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)切削技術(shù)發(fā)展趨勢

大量優(yōu)質(zhì)高性能材料不斷應(yīng)用，主要為鈦合金、高溫合金等。鈦合金性能特點(diǎn)：鈦合金具有比強(qiáng)度高、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)低及彈性模量小等特點(diǎn)。鈦合金切削時(shí)，切削溫度高、切屑與前刀面接觸面積小、刀尖應(yīng)力大、化學(xué)活性高及摩擦因數(shù)大，前刀面摩擦速度高，彈性模量低。高溫合金的性能特點(diǎn)：高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和硬度，但也正因?yàn)槿绱?，使得其非常難加工，是典型的難加工材料，切削時(shí)切削力大、切削溫度高、加工硬化傾向大、刀具磨損大、切屑難處理及切削變形大。

刀具的可靠性高低與刀具材料、結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)和加工對(duì)象等因素都有一定關(guān)系。高可靠性刀具技術(shù)是涉及刀具材料、表面涂層、刀具結(jié)構(gòu)、刀具監(jiān)測、刀柄和刀具安全技術(shù)等各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。需要研發(fā)新的刀具技術(shù)來滿足不斷出現(xiàn)的新的復(fù)合材料的加工需求。隨著智能制造時(shí)代來臨，制造業(yè)也在原有的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)及制造的基礎(chǔ)上，開始打造智能制造體系，提升制造業(yè)的整體能力和水平，因此對(duì)切削技術(shù)也提出了更高要求，智能刀具技術(shù)將推動(dòng)切削技術(shù)的不斷發(fā)展。

切削技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的標(biāo)桿，智能機(jī)床是充分發(fā)揮人工智能的作用，借助傳感器、軟件和大數(shù)據(jù)，在機(jī)床穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)床對(duì)不同情況進(jìn)行自主決策。智能機(jī)床靈活地選擇合適的加工參數(shù)，正確判斷切削參數(shù)和加工策略的合理性，預(yù)判刀具磨損方式和大致的刀具失效時(shí)機(jī)，適時(shí)向機(jī)床或系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)指令，保持切削加工高質(zhì)、高效平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)

2.高性能刀具及智能化設(shè)備的發(fā)展

發(fā)達(dá)國家數(shù)控刀具（見圖2）制造技術(shù)在刀具鍍層技術(shù)、刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具系統(tǒng)和切削數(shù)據(jù)庫等方面，都取得了突出成就，使數(shù)控刀具提高到一個(gè)嶄新的水平。

涂層硬質(zhì)合金：涂層硬質(zhì)合金刀具被廣泛用于難加工材料的切削。涂層硬質(zhì)合金是在硬質(zhì)合金上沉積非常薄的耐磨材料，這一涂層改進(jìn)了刀具的抗磨損能力，典型的涂層有TiC、TiN、Al2O3、TiCN和TiAlN。復(fù)合涂層能提供更長的刀具壽命，廣泛用于加工不同的工件材料。

陶瓷刀具能承受非常高的溫度，化學(xué)穩(wěn)定性更好，比其他刀具材料有更高的抗磨損能力。陶瓷刀具的主要問題是強(qiáng)度低、熱性能不好及易破碎。使用陶瓷刀具時(shí)，機(jī)床必須有足夠的剛性，機(jī)床應(yīng)能提供高的切削速度。陶瓷刀具切削時(shí)可以不用切削液，如果使用切削液，切削液應(yīng)充足，陶瓷刀具抗熱振性不好，不適合斷續(xù)切削和低速切削。

國際上復(fù)合機(jī)床包括車銑復(fù)合、車磨復(fù)合和特種復(fù)合加工等，并出現(xiàn)多主軸、多刀塔的復(fù)合機(jī)床，加工效率大幅提高。

智能化提升了機(jī)床的功能，在數(shù)控系統(tǒng)上得到了較多體現(xiàn)。在智能化方面具有更強(qiáng)的功能：斷電保護(hù)功能、加工零件檢測和自動(dòng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能及高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能。

功能部件不斷向智能化、高速度、高精度和大功率方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。數(shù)字化、高精度、智能化、非接觸測量儀器和在線測量技術(shù)取得新的進(jìn)展，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)將數(shù)控機(jī)床、數(shù)控刀具、數(shù)控測量系統(tǒng)和加工工件以及相應(yīng)的信息集成融合在一起，構(gòu)成數(shù)字化閉環(huán)切削加工系統(tǒng)，成為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基本單元。

智能金屬切削技術(shù)所具有的無人干預(yù)加工、高效率制造和工藝整合能力有助于解決效率、成本和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，為金屬切削機(jī)床的制造和應(yīng)用提供新的發(fā)展模式和發(fā)展方向。

圖2 數(shù)控刀具

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

在金屬切削中，切削參數(shù)控制著兩個(gè)變量，即金屬去除率和刀具壽命，因此，在保證零件加工質(zhì)量的前提下，選用的參數(shù)應(yīng)滿足高生產(chǎn)率和低加工成本的需求。

切削參數(shù)的選擇是否合適，對(duì)于切削加工的生產(chǎn)率，加工質(zhì)量和加工成本都有重大影響。在切削參數(shù)的選擇和改變中需要把握住切削速度、進(jìn)給量和切削深度三者之間的關(guān)系。

提高切削速度、增大進(jìn)給量和切削深度，都能提高材料切除率，但是，這三個(gè)因素中，影響刀具壽命最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量，影響最小的是切削深度，因此在選擇粗加工切削參數(shù)時(shí)，優(yōu)先考慮采用大的切削深度，其次是大的進(jìn)給量，然后根據(jù)刀具壽命的要求選擇合適的切削速度。對(duì)于切削參數(shù)的調(diào)整，更要注意到其變動(dòng)后對(duì)于刀具壽命設(shè)定和強(qiáng)制換刀、切削加工質(zhì)量控制等相關(guān)系統(tǒng)的影響。

切削參數(shù)的改變可以使切削加工過程中斷屑和排屑的狀況改變，所以在加工過程中遇到由于斷屑和排屑問題而影響切削加工的正常進(jìn)行或引起加工質(zhì)量問題時(shí)，可以通過適當(dāng)改變切削參數(shù)找到相應(yīng)的解決方案。切削參數(shù)包括切削速度、進(jìn)給量、數(shù)控設(shè)備和刀具的性能，只考慮切削參數(shù)的設(shè)置是沒有意義的；同樣離開切削參數(shù)的設(shè)置，單獨(dú)研究刀具的壽命也是不切實(shí)際的。切削加工過程中切削參數(shù)和切削深度等是影響切削加工效果的重要變量。切削參數(shù)的設(shè)置和切削加工系統(tǒng)中的其他變量有著強(qiáng)烈的相關(guān)性，離開切削加工的要求、工藝安排、參數(shù)、數(shù)控程序和機(jī)床、刀具、工件、操作者等在一定環(huán)境條件下的結(jié)合，是多方面因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量綜合作用的過程，為了獲得很好的切削效果，切削參數(shù)和數(shù)控程序應(yīng)是穩(wěn)定和可靠的。

4. 難加工材料切削加工質(zhì)量控制策略

加工尺寸和刀具破損的在線檢測與控制如下所述。

（1）加工尺寸控制系統(tǒng)通常由在線檢測裝置、控制裝置和補(bǔ)償裝置組成 加工后的在線檢測工件狀態(tài)，必要時(shí)可以進(jìn)行工件找正、參數(shù)設(shè)定和補(bǔ)償，很多情況下是自動(dòng)檢測并根據(jù)檢測反饋的結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。在線檢測裝置已成為現(xiàn)代切削技術(shù)智能化的一個(gè)部分。

（2）調(diào)整刀具的使用壽命，強(qiáng)制換刀 刀具壽命：刀具磨損到一定程度不能繼續(xù)使用，否則將降低所加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，而且刀具磨損嚴(yán)重后導(dǎo)致切削阻力增加，刀具有可能發(fā)生折斷等非正常損耗。由于刀具材料、工件材料性能的分散、材質(zhì)及加工余量不均勻、切削中冷卻、潤滑狀態(tài)的差異，以及機(jī)床、夾具狀況等切削加工系統(tǒng)中其他眾多因素的存在，刀具壽命實(shí)際是一個(gè)隨機(jī)變量。

由于一般刀具的后刀面都會(huì)磨損，隨著后刀面磨損加大，切削力大幅增加。在切削技術(shù)的研究和切削試驗(yàn)中一般都按后刀面的磨損尺寸來制定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，在不同的切削加工系統(tǒng)條件下，刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際是不同的。在一定批量的生產(chǎn)中通常根據(jù)刀具所表現(xiàn)出來的加工對(duì)象的尺寸精度和表面粗糙度的變化作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

強(qiáng)制換刀：在實(shí)際加工中為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，應(yīng)依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)中刀具的狀態(tài)，設(shè)定刀具的耐用度，即每次更換刀具后該刀具所允許的加工時(shí)間達(dá)到規(guī)定的刀具耐用度時(shí)，該刀具必須被換下來進(jìn)行重磨或者報(bào)廢處理。如果刀具可以重磨，也應(yīng)通過統(tǒng)計(jì)和分析對(duì)刀具重磨次數(shù)進(jìn)行跟蹤和控制。刀具耐用度的設(shè)定和更改，必須以切削加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)。對(duì)于刀具壽命的控制也必須和切削加工質(zhì)量控制系統(tǒng)聯(lián)系起來考慮。

比較分析刀具壽命時(shí)，也要充分考慮，首先要確定的是換刀的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和測評(píng)方法，從刀具本身考慮，在換刀時(shí)刀具磨損情況對(duì)刀具刃磨的影響，如刀具一次使用時(shí)間過長，磨損過渡，會(huì)使刀具重磨次數(shù)減少，使得總的刀具壽命反而縮短，所以需要通過數(shù)據(jù)的積累確定合適的換刀時(shí)間。高性能刀具必須都是經(jīng)過切削試驗(yàn)和生產(chǎn)加工驗(yàn)證過的刀具，刀具的更改也必須受控。

（3）切削加工智能控制 高、精、尖裝備的生產(chǎn)不斷向金屬切削機(jī)床的極限能效提出新的挑戰(zhàn)，亟需綜合運(yùn)用信息與計(jì)算技術(shù)、多學(xué)科聯(lián)合仿真方法和科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，通過對(duì)切削過程中的復(fù)雜物理行為的數(shù)字化建模、仿真和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的定量主動(dòng)控制。

智能機(jī)床需具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)功能。在加工過程中，可借助各種傳感器、聲頻和視頻系統(tǒng)對(duì)加工過程中的力、振動(dòng)、噪聲、溫度和工件表面質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而通過預(yù)先建立的系統(tǒng)性能參數(shù)庫或知識(shí)庫進(jìn)行切削參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化與誤差補(bǔ)償。金屬切削過程各生產(chǎn)要素得到充分調(diào)動(dòng)，生產(chǎn)效率不斷提高。

智能制造機(jī)床以高端機(jī)床為主。自動(dòng)化機(jī)床加工線，刀具用至報(bào)廢換刀，需要對(duì)壽命進(jìn)行管控，定期換刀，手工輸入電腦的方式在面對(duì)大量數(shù)據(jù)面前，效率低下。刀具智能存儲(chǔ)柜可以很好解決刀具存儲(chǔ)問題?？膳cERP等對(duì)接，按機(jī)床、零件等領(lǐng)刀，做相應(yīng)的分析報(bào)表。抽屜內(nèi)加裝智能傳感器，自動(dòng)盤點(diǎn)庫存，自動(dòng)發(fā)送庫存提醒，實(shí)現(xiàn)刀具合理存儲(chǔ)和管理。

5. 結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)切削技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中具有重要的地位。智能制造時(shí)代為先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺(tái)，研究先進(jìn)的切削技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平不斷提升具有重大意義。