高效切削在航空發(fā)動機制造業(yè)上的應(yīng)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(jì)30年代由德國Carl Salomon博士首次提出的有關(guān)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(tǒng)切削速度范圍內(nèi)是與切削速度成單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)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(nèi)成單調(diào)減函數(shù)。該理論經(jīng)過幾十年的研究與應(yīng)用，已逐漸成為現(xiàn)代高效切削加工的趨勢和發(fā)展方向。80年代末和90年代初開始應(yīng)用并快速發(fā)展到廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造業(yè)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(fù)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(chǎn)效率的高速切削，實際上并沒有提高生產(chǎn)效率。它要求機床在高轉(zhuǎn)速下切削，但為提高機床主軸轉(zhuǎn)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(chǎn)效率不高。當(dāng)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(chǎn)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(yīng)該是切削加工中加工零件的質(zhì)量與生產(chǎn)效率的共同提高。

二、航空發(fā)動機制造業(yè)的特點和現(xiàn)狀

航空發(fā)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(tài)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(jié)磨損嚴重，易產(chǎn)生積屑瘤和棱刺。

由于以上的諸多原因，目前國內(nèi)加工高溫合金的現(xiàn)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(fā)動機行業(yè)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(jié)構(gòu)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(zhì)合金抗彎強度及導(dǎo)熱性較純W-Go合金差，同時為了避免硬質(zhì)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(jié)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(dǎo)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(zhì)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(chǎn)品中還須有合理的刃傾角；還需選擇合理的機體材質(zhì)與涂層，還有合理的表面處理與刃口處理。

配套設(shè)施應(yīng)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(biāo)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(xiàn)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(jié)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(tài)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(xiàn)有切削速度下實現(xiàn)高速化。難加工材料的切削條件歷來都設(shè)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(xiàn)，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(xiàn)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(dāng)然，選擇適應(yīng)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(yīng)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(fā)現(xiàn)在同一切削速度(v=80m/min)不同進給量下的切屑狀況：