陶瓷刀片高效加工技术在航空盘类零件应用

万秀屏 谭 薇 赵鹏飞 冷维杰 史继伟

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

九级轮盘是某航空发动机的关重部件，在高温、高压、高转速的恶劣环境条件下工作；选用材料均为GH4169，在切削加工时，切削负荷重，切削温度高，加工硬化现象严重，切削加工性能低。本文主要针对零件粗车加工、半精车加工不同过程，开展陶瓷刀具的高效加工应用研究，着力解决制约生产过程的关键问题，推动航空盘类零件制造技术水平的提升。

1 研究目标

依据选定的典型零件，针对零件各自的特点开展研究。

九级轮盘受模锻造技术限制，毛料尺寸较大，且零件存在一处深70mm，宽35mm的深腔结构（图1所示），传统的加工工艺是采用普通车床进行加工，用焊接车刀进行粗开槽及半精加工，不仅加工时间长、效率低，而且刀具消耗也很大，且深腔部位加工质量不稳定，经常造成加工不到位、表面光度差等问题，零件返修率据高不下。陶瓷刀具应用研究以提高粗车、半精车加工质量及效率为主。

图1 九级轮盘余量分布图

图2 九级轮盘选用陶瓷刀具方案

采用陶瓷刀具在数控车床上加工盘类零件，可以提高加工自动化程度，减少人为因素的影响，提高加工效率和质量，有效地缩短生产周期。提高盘类零件的加工技术水平，缩小与世界先进国家的差距，增强企业的市场竞争能力具有重要的现实意义。

图3 工步1车外型面走刀路线示意图

图4 工步2车内孔走刀路线示意图

图5 工步3车斜面走刀路线示意图

图6 工步4车辐板走刀路线示意图

通过在九级轮盘零件上应用陶瓷刀具，进行数控高效加工的加工方案的实施，提高零件加工质量与效率，达到减少单台加工时间7小时以上的目标。

2 刀具方案

典型零件为镍基高温合金GH4169材料。在切削加工时，切削负荷重，单位切削力可比中碳钢高50%；切削温度高，在相同的切削条件下，切削温度约为45钢的1.5-2倍；刀具磨损剧烈，刀具寿命明显下降，在高切削温度（750-1000℃）下，刀具产生严重的扩散磨损和氧化磨损；加工硬化现象严重，已加工表面的硬化程度可达200%-500%。因此高温合金的可切削加工性能低，车加工比较困难。

陶瓷刀片与硬质合金刀片相比，可承受2000℃的高温,更具有高温化学稳定性，可高速切削，但其缺点是陶瓷刀片的强度和轫性很低，容易破碎。陶瓷刀片耐高温，对高温高速切削更有利，由于陶瓷热导率低，高温只在刀尖，高速切削所产生的热量都随屑带走。采用陶瓷刀具进行加工，零件高速旋转，零件切削处材料红热、软化，刀具去除材料效率较高，因此，经过项目团队认真分析，决定采用陶瓷材料刀具进行加工。

由于九级轮盘零件结构属半封闭型强，标准刀杆不能满足加工需求，为此选定肯纳和绿叶两家陶瓷刀具供应商，先期对零件进行刀具切削试验，通过试验对比，绿叶厂商的陶瓷刀具在切削性能、刀具耐用度、加工参数等方面具有综合优势，最终选定该厂家作为工艺攻关的刀具供应商，为零件进行切削方案的制定，设计非标刀具。（图2所示）

3 工艺试验研究过程

3.1 数控程序编制

九级轮盘深腔轴向宽35mm，径向最深处近70mm，敞开性较差，需多把刀具转接加工才能完成，在编制程序中，根据结构尺寸，对比刀具的结构，用计算机造型，采用刀心与轮廓编程相结合的方法，按理论型面编制程序。（图3-6所示）

3.2 计算机辅助仿真验证

由于零件可见性差，并且零件切削速度较高，为了保证加工安全性，验证数控程序走刀轨迹的正确行，检查零件与刀具的干涉情况，加工前在计算机上使用仿真软件，进行辅助加工仿真验证，降低加工风险。

3.3 加工试验研究

3.3.1 零件加工参数选择

根据每种零件的加工刀具及零件结构特点，给定不同的加工参数进行加工。

九级轮盘去除材料较多，刀具的尺寸较大，切削状态基本一致，在加工前使用试验件进行试验，初始切削参数设定如下：主轴转速100r/min，进给量0.2mm/r，切削深度0.3mm，通过现场实际摸索，选择较为理想的加工参数，最终确定九级轮盘切削参数固化为转速120r/min，切削深度0.8mm，进给 0.2mm/r。

3.3.2 零件加工试验

九级轮盘首先选择在试验件上进行加工试验，按照工步卡确定的加工步骤，依次进行，通过试件加工，一方面进一步校验程序正确性，另一方面检验刀具的切削寿命以及干涉情况。试件加工结束后，对零件相关尺寸进行测量，加工质量满足工艺规定要求，“让刀”现象较轻，零件光度与传统加工工艺相比较有了较大的改观。将试验件的加工结果用于真件的加工，加工的质量较为稳定，零件的变形量得到了控制，表面质量得到了提升，加工的效率大幅提高。

3.3.3 结果与分析

通过零件的试验与研究，对陶瓷刀具的加工特性有了一定的了解，选用陶瓷刀具对该GH4169材料进行，刀具选择较为适用，安排加工路线的正确、可行，切削参数的设定合理，对减小零件加工变形也有了一定的控制措施，零件加工质量得到了保证。

按照试验、攻关的结果，陶瓷刀具在批产加工中进行了应用，加工效率明显提高，九级轮盘单台切削时间减少了近8小时，极大地缓解了数控立车的生产压力，加快了零件的周转速度。

通过跟踪零件的加工，对加工过程不断的完善，将数控程序进行整理、优化、存档，编制了标准化操作说明书，用于指导操作者规范加工，零件的加工质量更加稳定。

结语

通过对九级轮盘典型盘类零件进行试验研究，应用陶瓷刀具进行高效加工的研究，制定的工艺路线正确可行，选定的陶瓷刀具、加工参数合理，加工的效果较好，达到了预期制定的目标。

随着数控设备的逐渐普及和加工能力的不断提高，高性能陶瓷刀具在盘类零件的加工中应用会越来越广泛，制造技术能够得到进一步的提升，对全面完成公司不断增加批产任务，发挥越来越重要的作用。

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