高效切削在航空發動機制造業上的應用

時間:2011-05-26 08:09:26 來源:未知

一、引言

高速切削理論是二十世紀30年代由德國Carl Salomon博士首次提出的有關高速切削的概念。其理論簡言之就是認為切削熱只是在傳統切削速度范圍內是與切削速度成單調增函數關系。而當切削速度突破一定限度以后，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內成單調減函數。該理論經過幾十年的研究與應用，已逐漸成為現代高效切削加工的趨勢和發展方向。80年代末和90年代初開始應用并快速發展到廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造業加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級合金及碳纖維增強塑料等復合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。

在金屬切削過程中，選擇很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法。這種切削方案實際存在著許多問題，其中最大的問題是：主要目的是用于提高生產效率的高速切削，實際上并沒有提高生產效率。它要求機床在高轉速下切削，但為提高機床主軸轉速來提高切削速度，往往是以降低進給量﹑減小切削深度為代價的。所以切除率很低，生產效率不高。當然，這時機床的主軸功率可以很小。這一點對于那些尺寸精度、表面粗糙度及表面完整性要求很高的零件的精加工(要求零件不變形，因而切削中產生的切削力要小等一系列極其苛刻條件下的加工)，確是非常有利的。

真正意義上的高效加工應該是切削加工中加工零件的質量與生產效率的共同提高。

二、航空發動機制造業的特點和現狀

航空發動機的零部件材料很大一部分是Ni基高溫合金，屬于難加工材料中很難加工的材料，且大部分零件的加工為車削加工，其相對切削性能小于0.2(正火狀態45#鋼的相對加工性能為1)。其難加工的主要特點為：

切削力大。高溫合金的切削力為中碳鋼的兩倍以上。
切削溫度高。切削高溫合金時，由于變形抗力大，刀面與切屑和工件間的摩擦劇烈，單位切削功率大，消耗的功率多。
刀具磨損劇烈。其原因仍然是切削溫度高，材料硬度高，粘結磨損嚴重，易產生積屑瘤和棱刺。

由于以上的諸多原因，目前國內加工高溫合金的現狀是切削速度低，普遍在35m/min左右，進給量低，為0.05-0.2mm/r，造成切削加工效率極低，且刀具磨損仍然嚴重。

如何提高加工效率，將高效切削引入到航空發動機行業的加工中，是很多人長時間來一直在探討和研究的問題。

三、高溫合金高效切削的研究

刀具結構及材料的選擇在高溫合金的加工中十分重要。

刀片材料要求具有很高的抗氧化性、紅硬性、耐磨性；選擇純W-Go合金，如株洲鉆石切削刀具股份有限公司的YD101(YT類硬質合金抗彎強度及導熱性較純W-Go合金差，同時為了避免硬質合金材料中Ti與高溫合金材料中Ti相互擴散)，YBG102涂層厚度很薄，僅0.002～0.004mm，抗粘結能力強，適合高溫合金材料的高效率加工。

另外，由切削實驗可以看到，用同一種槽型的刀片加工鎳基高溫合金比加工45﹟鋼的切削力要大得多。同時，我們還可以看到，加工鎳基高溫合金時，采用不同的刀片槽型可以獲得不同的切削力。

DNEG150608-NF /YBG102

刀片槽型在整個切削過程中極為重要，涉及到斷屑、導屑、排屑的順暢，還涉及到有效克服加工硬化，盡可能減小切削阻力，以及有意識地控制各類磨損的擴大，延長刀具壽命，提高工件表面質量，和提高切削速度等。因此，要求加工高溫合金的刀片槽型具有堅固而鋒利的刀片刀尖、光滑的前刀面，在精加工產品中還須有合理的刃傾角；還需選擇合理的機體材質與涂層，還有合理的表面處理與刃口處理。

配套設施應選擇功率大、剛性好的機床，使用冷卻效果好的切削液，推薦選用極壓切削液，不含硫。 #p#分頁標題#e#

在金屬切削過程中，選擇很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法。尤其的高溫合金的切削時，過于靠提高切削速度，來提高加工效率，顯然是不現實的，它既會大大增加刀具消耗成本，同時甚至根本無法完成加工程序。此時不要忽視在中等切削速度下加大進給量的加工方案，這是由大量切削實踐得出的結論。

高溫合金在很寬的切削速度范圍均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增高，直至形成分離的單元切屑。

V=35m/min,f=0.15下的切屑

V=60m/min,f=0.15下的切屑

V=80m/min,f=0.15下的切屑

V=120m/min,f=0.15下的切屑

V=180m/min,f=0.15下的切屑

V=250m/min,f=0.15下的切屑

由于高速切削時切屑狀態的單元化，難加工材料Ni基高溫合金的加工完全有可能在現有切削速度下實現高速化。難加工材料的切削條件歷來都設定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機床的出現，以及高速切削方式的引進等，目前，難加工材料的切削已進入高速加工、刀具長壽命化的時期。現在，采用小切深以減輕刀具切削刃負荷，從而可提高切削速度和進給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當然，選擇適應難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應力求刀具切削軌跡的最佳化。

在進一步的切削實驗中，我們發現在同一切削速度(v=80m/min)不同進給量下的切屑狀況：