难加工材料高效高速加工探讨

摘要：航空发动机零件大量采用难加工材料钛合金、高温合金等，这些难加工材料的高效切削技术已经成为航空发动机制造的关键技术之一。文章通过对难加工材料断续切削和高温合金整体环形机匣加工工艺的研究，摸索出了如何优化刀具方案和切削参数，改进工艺路线和加工程序提高难加工材料零件的效率的方法。

关键词：难加工材料；断续切削；环形机匣；高温合金；切削参数；加工策略；走刀路线

中图分类号：TG501 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0050-02

目前航空发动机零件结构正向着整体化、复杂化方向发展，难加工材料钛合金、高温合金等广泛应用于航空领域，这些难加工材料的高效切削技术已经成为航空发动机制造的关键技术之一。实现难加工材料高效高速加工的关键在于：优选刀具的材料，高性能高速钢，新型硬质合金，涂层刀具，陶瓷刀具，CBN刀具和金刚石刀具；选择合理的切削参数；采用合理的加工策略和走刀路线。

1 难加工材料断续切削高速高效加工

断续切削是指当零件表面不规则，刀具的切削方式不连贯或吃刀量不均匀。断续切削产生的冲击力加快了刀具的磨损，特别是难加工材料的断续切削，刀具的消耗量是连续切削5倍以上。

1.1 优化刀具方案，提高断续切削加工效率

某型号发动机排气机匣为焊接环形机匣，由多个叶片连接内腔与外圆，外圆及内腔上有许多空心凹槽，零件内外加工面为断续切削（图1），其材料为GH738，可加工性差，加工刀具既要求硬度高，又要求耐冲击。

图1 排气机匣

原工艺采用55度外圆车刀，更换了不同的厂家与材质的刀具进行加工（试刀情况如表1所示），由于材料硬度高，加工3分钟左右就出现崩刃的现象，刀具损耗大，加工的零件表面质量较差。

表1 XX10的排气机匣试刀情况

为了解决这个问题，采用最耐冲击的圆刀片来进行加工，选用Φ12的圆形刀片（如图2），通过试切确定合理的加工参数：线速度为25m/min，进给为0.15，转速根据外圆尺寸在15～102rpm/min之间，刀片的磨损为较正常的沟槽磨损，并且一片刀片可以加工30min。再采用55度横装外圆刀清除根部余量，加工出来的零件表面粗糙度较好，没有震刀纹（如图3）。

图2 选用Φ12的圆形槽刀 图3 使用圆形刀片加工

的排气机匣

通过改变刀具方案，单片刀具的加工时间由原来的3min/片提高到了30min/片，单件刀具成本由原来的500元/件降低到150元/件，刀具成本大幅降低，零件的加工质量和生产效率大幅提高。

1.2 优化工艺方案，提高断续切削的效率

在数车加工过程中经常会出现断续切削的情况，除了考虑用材质好耐冲击的刀具外，还可以在工艺安排上进行调整，如某型号的涡轮机匣后段，原工艺是先进行钻孔和加工腰形槽，再进行车削内腔型面。加工一件需要消耗7片55度外圆刀片，刀具成本是700元/件。

圖4 涡轮机匣后段数车毛坯填充低温熔点合金

工艺路线可调整为先进行车削加工，再进行钻孔。当不能调整工艺时，在确保无多余物残留的情况下，可以用低温熔点合金填堵车削表面的孔，减少切削时对刀具的冲击，加工完成后再将其溶化（如图4）。

通过调整工艺方案，可有效避免断续切削，降低断续切削对刀具的冲击，刀具的消耗量从原来的7片55度外圆刀片/件，降低至4片/件。

2 难加工材料环形机匣高速高效加工

老机型的高温合金环形机匣的安装座和喷嘴是焊接在机匣表面上，再精加工组合面。采用此类工艺，零件容易变形，尺寸精度难以保证。目前新机型的环形机匣，尺寸精度要求较高，安装座和喷嘴是通过铣削加工成型的，余量去除率高，加工刀具容易与零件干涉，加大了机械加工的难度。如在加工材料为GH4169的涡轮机匣中段时，为整体环型锻造毛坯，工艺要求铣削出分布不均，大小不一的凸台。

2.1 采用机夹刀片式铣刀降低刀具成本

采用整体的硬质合金刀具粗加工，刀具磨损后，需更换整把刀具，成本高。而采用机夹刀片式铣刀进行粗加工，刀具磨损后，只需更换刀片。

如Φ16的整体硬质合金铣刀根据质量的高低，价格为1200～2300元/把，通常可以修磨三次，加工GH4169，切宽为2.4mm，切深5mm，线速度为20m/min，转速390rpm，进给率60mm/min，刀具的总加工时间为120min，平均每加工1h的刀具成本是600～1150元。而采用Φ16的机夹刀片铣刀，刀杆的价格为1800～2200

元/把，正常使用总的加工时间可以超过200小时/把，刀片70～120元/片，同样的切削参数和加工条件，两个刀片可以加工140min，平均每加工1h的刀具成本是39～63元。采用机夹刀片式刀具，可以大幅降低刀具成本。

2.2 采用宏程序实现变切深加工

由于高温合金表面硬化现象比较严重，刀具同一位置在硬化层上切削，刀具容易出现沟槽磨损。采用变切深加工（如图5），可以避免刀具的同一位置一直在硬化层切削的情况。

计算机辅助编程，实现变切深，需修改软件中的特定参数才能实现，编制出来的程序过于繁琐，且在现场加工时，不能随意调整切深。采用宏程序实现变切深加工，充分利用了数控机床的数学计算功能，定义变量来调整加工深度和深度递减量，在加工过程中可以有效减轻刀具沟槽磨损。

程序示例：

2.3 车铣在环形机匣中的应用

环形机匣的安装座和喷嘴之间有大量的余量需要去除，如采用UG自动编程，加工路径是通过多次分度拟合一个圆弧面或者圆锥面。用这种加工策略，加工出来的圆弧面实际为多边形，表面质量差。而且采用往复走刀，来回走刀的次数较多，加工效率低。在四轴或五轴数控加工中心，零件绕着机床的回转中心旋转，刀具的侧刃切削旋转的零件，这种类似于车削的加工策略，称之为车铣。采用车铣的加工策略进行加工，可以减少走刀的时间，采用侧刃切削，刀具与零件的接触面积较小，加工时的轴向力较小，零件不容易变形（如图6）。

图5 变切深加工 图6 往复铣和车铣的加工情况对比

3 结语

本文通过优化加工工艺，选择合适的刀具方案和切削参数，制定合理的程序路径，采用宏程序编制数控程序可以利用数控系统的自动计算功能实现复杂的加工路径。通过参数控制加工切削参数和走刀路径，便于在试加工中调整加工方案，可以有效地提高高温合金的切削效率。

作者简介：宁雄（1982-），男，广西陆川人，中航工业南方航空工业（集团）有限公司工程师，研究方向：航空发动机零部件先进加工制造技术。