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航空發動機零件結構復雜，而高溫合金等難加工材料加工難度更大。對工件來說，復雜型面數控程序優化難，高溫合金材料容易造成加工變形和讓刀，使加工精度不符合要求，對刀具來說，加工鎳基高溫合金零件，容易造成刀具快速磨損，刀具消耗大。在發動機的難加工材料中，鎳基高溫合金有著舉足輕重的作用，如發動機的壓氣機盤、渦輪盤、承力環、機匣、緊固件、葉片等在高溫下長期工作的發動機零件，都可以見到鎳基高溫合金的身影。 由于鎳基高溫合金高硬度、強度和塑性的性能，致使它的可切削性較差。在鎳基高溫合金里鑄造的材料比鍛造的切削性差，單晶、粉末冶金高溫合金的切削性更差。鎳基高溫合金的其他難加工特性表現為：切削力一般為鋼件的1.5~2倍，切削溫度約為鋼的2倍；材料導熱系數低，導熱性很差，切削熱集中在刀尖，不易散出。切削產生的高溫能使刀具發生嚴重的擴散磨損、氧化磨損和粘結磨損；加工后零件表面硬化現象十分嚴重，加工硬化表面的硬度約為正常表面的2倍以上；切屑硬度高，韌性好，不易折斷，造成切削過程中斷屑困難，切屑不好處理；材料中金屬化合物和硬質點較多，刀具很容易崩刃，不容易保證尺寸和精度要求。
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盤軸、機匣和葉片是發動機上的關鍵零件，在高溫工作區的部分都是采用鎳基高溫合金作為材料的。這些零件對配合表面尺寸、表面完整性和位置精度等技術指標要求都很高，而且這幾種零件都屬于典型的結構復雜、薄壁、易變形的難加工零件。盤軸類零件涉及到較多的車削工藝，機匣類、葉片類的零件涉及到較多的銑削工藝。盤件壁厚較小且不均勻，尺寸精度要求較高，外型面較復雜，不能沿圓周連續切削，在加工過程中零件變形明顯，需要多次進行修整。
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2 `3 K. ?8 l2 Y0 y0 o例如某盤件的外徑尺寸精度IT6~IT7，焊縫表面的配合精度高達IT4~IT5。垂直度為0.01~0.03mm，表面粗糙度Ra0.8μm。機匣零件剛性差且形狀復雜，加工過程零件及易變形。零件的尺寸精度、表面粗糙度，位置精度要求都很嚴格。如某機匣零件表面粗糙度為1.6μm，薄壁端厚2.5mm，定位孔的尺寸公差0.015。某機匣毛坯加工余量大，單邊余量為20~30mm，大部分余量要通過銑削去除，刀具消耗量大。葉片零件外形結構復雜不規則、尺寸較多、加工時間長，加工基準需要反復地切換。某機葉片最薄處為0.18mm，零件的表面粗糙度為0.4μm。在加工過程中系統振顫大，讓刀現象嚴重，零件的表面完整性差7 ~2 s$ P3 T% W$ L) m1 W- a
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1 Q5 c) S: m* K& z8 n3 L2 u2 w3 e1 刀具材料的選取 8 d5 X6 l5 G+ G" k- |9 a1 n
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在航空用鎳基高溫合金的加工中，零件的尺寸精度和表面效果很大程度上取決于刀具的材料。根據鎳基高溫合金的特性，加工的刀具材料一般應滿足以下要求。 0 a1 ?& n2 {# X. ^+ g! ?
: U6 [8 W) b9 S5 {. y· 穩定性好、抗氧化、耐高溫、抗沖擊能力強。 / R9 V5 a4 H8 y1 q+ S) l% _. ?& `
· 硬度和耐磨性好。刀具材料硬度必須比零件材料的硬度高，一般都在HRC60以上。
! P/ W! ^/ j5 o; u, @) t1 |8 H· 有足夠的抗彎強度和抗沖擊韌性。 , K# W, j# b. Y7 x
· 耐熱性好, 在高溫下保持一定的強度和韌性以及抗黏結、擴散的性能。 6 v3 m" A9 N B+ {$ s! k# S
· 有良好的熱處理性能、可磨削性能、鍛造性能及高溫塑性變形性能。
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7 r0 ^$ y$ r- n" W( I' l/ J（1）硬質合金（Carbide）。
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3 P. C. M& ^ R9 ^: s硬質合金由難溶的金屬碳化物和起粘結作用的金屬燒結而成，具有高的強度和硬度。硬度達HRC69~81，整硬性在900~1000℃下可保持HRC60。細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發使硬質合金刀具的強度和韌性顯著提高。圖1為硬質合金硬質合金刀片車削加工實例。使用加壓燒結的涂層硬質合金刀片，具有良好的抗朔性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金，從而提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍，使硬質合金刀具進入高速切削時代。硬質合金刀具雖然有以上優點，但是由于其脆性大、抗彎強度低、抗震能力差，故多用于車加工、沖擊較小的半精加工和精加工。
& I% R5 E/ o$ ]" B涂層硬質合金刀具：涂層主要分為化學涂層（CVD）和物理涂層（PVD），現代國內使用的刀具中有50%以上為涂層刀具，國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。涂層已成為提高刀具性能的關鍵技術，采用涂層技術可使切削刀具獲得非常優良的綜合力學性能，大幅度地提高切削加工效率的同時還能提高刀具的使用壽命。新型涂層適應高速切削、干切削、硬切削，納米級超薄超多層涂層和新型涂層材料的開發大幅度提高了涂層的硬度和韌性，新型涂層的應用將成為改善刀具性能的主要途徑。
: U9 B: B# @$ V4 ?發展趨勢 & d! s" ~( ?1 r* F# v" `
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以鎳基高溫合金為代表的高性能難加工材料的切削問題已經成為制約航空發動機制造產業的瓶頸，對此，加快難加工材料關鍵切削技術的開發和方案的研究成為了解決問題的關鍵。以發達國家高速切削、綠色切削等技術為代表的新型加工理念對解決難加工材料問題有很好的幫助和指導作用。 4 m! K4 ?2 L! B# k; g9 ?3 Y
: e; B' G, N4 P1 N1 高速切削
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2 @# |: Z- { |0 B高速切削技術特征主要表現在如下幾個方面。 # |& f7 @$ ^+ g) g
# [# |8 T( Y% B! V7 V（1）金屬切除率可以提高3~6倍，單位功率材料切除率可達130~160cm3/(min·kW)，生產效率大幅提高；
! y$ x; Y+ D3 U9 H6 ?# w（2）切削力可降低15%~30%以上，尤其是徑向切削力大幅降低； c( B3 h$ N5 o
（3）高速加工時機床的激振頻率特別高，遠離“ 機床- 刀具- 工件”工藝的固有頻率，工作平穩，工藝系統振動小；
, {$ |) v: l. m, O$ `（4）95%~98%的切削熱被切屑帶走，切削溫度增加緩慢，工件溫升低，基本可以保持冷態加工，工件表面熱損傷小，適用于加工易變形的零件； * D! g* w8 o. ]+ I4 h
（5）由于加工振動小切屑變薄，切削力和受力變形小，所以可以獲得良好的加工精度和表面質量，加工表面質量可以提高1~2級，可獲得相當于磨削加工的表面粗糙度；
5 Y2 }& f; ^2 {（6）允許進給速度提高5~10倍，切削速度提高15%~20%, 可降低成本10%~15%, 高速切削可降低制造成本20%~40%[2]。 # Q1 \, S g6 W2 m0 n" g
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高效切削并非只限于單純的提高切削速度和進給速度，而是把提高切除率放在首位，目的是在單位時間內盡可能多地去除被加工材料。實現高效加工的途徑主要有以下幾個方面。
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（1）選擇高效的機床。主要是指高的主軸轉速、高的進給系統、良好的剛性和抗震能力。 ! p1 g2 N, e, z, S% n
（2）選擇高效的刀具。良好的耐磨性、高強度和韌性的刀具材料，優良的刀具涂層技術，動平衡技術。 ! V6 S' K) ]% u1 \) x( l0 l
（3）合理安排工藝路線。合理地分配加工余量，應該是根據機床和刀具進行工藝路線的安排，來適應高效加工。 - c! k! e( N/ `- _
（4）減少輔助時間。通過減少輔助時間來實現高效加工，利用復合刀具、夾具盡量減少輔助時間，或者合并不必要的工序。
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發表于 2019-5-7 09:10:44
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