航空发动机先进切削技术应用

■ 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 （辽宁 110043） 杨金发 杨 楠 杨惠欣 董 超 赵德新

高级工程师 杨金发

航空发动机在高温、高压和高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作，对材料和制造技术的依存度最为突出。航空发动机部件正向着高温、高压比及高可靠性方向发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化及复合化的方向发展，没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和加工技术的要求逼到了极限。

目前，航空发动机难加工材料主要为钛合金、高温合金等，先进航空发动机还广泛应用复合材料。这些难加工材料切削难度体现在切削力大、切削温度高、切屑不易折断、刀具寿命低以及表面质量不易保证等方面。

1. 难加工材料切削特点

钛合金、高温合金等难加工材料，切削难度体现在切削力大、切削温度高、切屑不易折断、刀具寿命低和表面质量不易保证等方面，如图1所示为国外航空发动机示意图。

（1）不锈钢的切削特性：加工硬化倾向大、切削力大、切削温度高、刀具易磨损、表面质量和精度不易保证。

（2）钛合金性能特点： 钛合金变形系数小、切削温度高、单位切削力大、加工表面生成的硬化层厚度为0.10～0.15mm。目前钛合金的切削加工选用的刀具材料以不含或者少含TiC 的硬质合金刀具为主。

（3）高温合金的性能特点：高温合金切削力大、加工硬化严重、切削温度高及刀具磨损严重。目前切削高温合金所用刀具以硬质合金刀具为主。

硬质合金PVD 涂层刀片，使刀具表层具有较高的硬度和耐磨度，同时又保持了硬质合金基体的塑性与韧性，非常有效地延长了刀具的使用寿命，比较适合高温合金的车削加工。

2. 航空发动机难加工材料切削常用刀具

金属切削加工是用刀具从工件上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件加工过程。难加工材料高效切削加工技术是航空发动机制造中最为重要的一项先进制造技术。刀具作为切削加工的主体之一，在解决航空材料的加工难题中起着不可或缺的作用。用于难加工材料的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和立方氮化硼等。

（1）硬质合金刀具被广泛应用于难加工材料的切削，硬质合金具有高的热硬性，在很高的温度下仍能保持其硬度，因此，硬质合金刀具的切削速度是高速钢刀具的3～6倍。

图1 国外航空发动机

（2）硬质合金涂层刀具：应用涂层刀具要注意刀具涂层与被加工工件材质的匹配性，只有选用的涂层与所加工的工件材质很好的匹配，才能获得理想的切削加工效果和提高刀具寿命，否则很有可能出现负面影响。根据不同的切削加工系统条件，采用合适的相应涂层，就可以较好地解决刀具强度和韧性之间、切削速度与刀具寿命之间以及生产效率与加工成本之间的矛盾，大大提高切削速度和刀具的寿命，显著提高切削航空发动机难加工材料切削技术水平。

（3）陶瓷刀具：陶瓷刀具一般不在零件的精加工工序使用，以免高切削热影响零件变形。陶瓷刀具与硬质合金相比，比较脆，因此在切削过程中坚决杜绝振动现象。要求数控机床有足够大的功率，主轴转动平稳，进给均匀。

在车削加工时，无论何时都要保证充足的冷却液，冷却液不会降低切削区域的温度，却可以大大提高刀具寿命，冷却液必须浇注在切削面上，保证冷却效果。对于不同硬度的材料要选用合理的切削参数及走刀路线，保证高效切削。

3. 航空发动机难加工材料切削参数的选择

航空难加工材料尤其是高温合金，例如Incol718，具有高硬度、高强度、耐腐蚀且耐高温的难加工特性。加工时刀具磨损剧烈，在高的切削温度下，刀具将产生严重的扩散磨损；加工硬化现象严重，切削更加困难；加工过程中切削力大，为一般钢材的2～3倍；导热系数低，导热性差，切削热集中在刀尖附近，切削温度高。

采用电抗子模块分段投切的模块化多电平换流器降电容方法//李钰,李帅,赵成勇,许建中,曹均正//(19):90

切削参数是指切削速度、进给量和切削深度，切削用量是调整机床、计算切削力、切削功率、工时定额及核算工序成本所必须的参数。

（1）切削参数对金属去除率和刀具寿命的影响如下。①切削参数三个要素与金属去除率都是成正比关系，如果任何一个参数增加20%，金属切除率都会增加20%。②切削参数对刀具寿命的影响：切削参数三个要素对刀具寿命的影响程度差别较大。在车削和铣削加工中，如果切削深度增加50%，刀具寿命约降低15%；如果进给量增加50%，刀具寿命约降低60%；如果切削速度增加50%，刀具寿命约降低90%。由此可以看出，切削深度对刀具寿命的影响较小，进给量对刀具寿命的影响较大，切削速度对刀具寿命的影响最大。

（2）切削参数选择原则有以下两点。①切削速度的选择原则，由于切削速度对刀具寿命的影响非常大，是决定加工效益的关键因素，因此，切削速度是需要确定的最关键变量。对于特定的切削加工，选择的切削速度应使生产率最大化或使每个零件的切削成本最小化。②切削深度和进给量的选择原则，由于切削深度对刀具寿命的影响较小，原则上可以选择最大的切削深度；由于进给量对刀具寿命的影响略大，原则上可以选择较大的进给量。但是实际加工中，切削深度和进给量的选择会受到如下因素的限制：表面粗糙度要求限制了进给量；刀片承受切削力的能力也限制了进给量；机床、零件、刀具和夹具抵抗切削力的能力限制了进给量和切削深度；需要从零件上去除的余量限制了削深度。

切削深度的选择：粗加工时，在切削系统刚性允许的情况下，在能保证工序加工质量的条件下，可以选择大的切削深度，选择的最大切削深度要考虑刀具形状、切削刃长度和主偏角。精加工时，零件的刚性已经变弱，需要去除的余量又不大，通常选用的切削深度较小，一般切削深度不应超过刀尖圆弧半径的1/3。但切削深度不宜过小，否则刀具在硬化层切削，或刀具不能进行正常切削，只是在工件表面刮擦，这两种情况都会降低刀具耐用度，而且加工表面的粗糙度欠佳。

进给量的选择：粗加工时，在切削系统刚性允许的情况下，如果刀具具有足够的强度，可以选用较大的进给量；精加工时，为了保证零件的表面粗糙度要求，选择的进给量较小。由于进给量和刀具圆弧半径是影响零件表面粗糙度的主要因素，因此最大进给量不能大于理论计算值。

4. 典型结构零件刀具及加工方法的选择

（1）刀具的选择：典型刀具如图2所示，应用于加工中心进行高效切削的数控刀具不仅要强度高、硬度高，耐磨性还要强。必须具备高的可靠性和切削稳定性，质量一致性，各批次刀具质量一定要稳定。安装精度高、重复定位好，具有系列化、标准化的特点，同时具有良好的断屑、排屑性能。

刀具寿命管理：刀具固化后，刀具的加工寿命必须确定，及时更换刀具，保证零件的加工质量，强化过程控制。

（2）刀具质量控制：刀具装夹前对刀具牌号、刀具类型以及刀具几何参数等外柜质量进行检查及确认，典型数控机床如图3所示。避免装夹不合格刀具，带来质量隐患。

（3）在线测量刀具：运用刀具检测系统在加工制造过程中监控加工中心的刀具状况并进行自动刀具测量与设定，检测刀具的几何参数，能及早侦测到刀具的选用错误与预设刀具数据错误，同时及早得知刀具是否破损或磨损，通常有刀长与刀具直径的测量、刀具折断监控以及单一切削刃监控等功能。

图2 典型刀具

图3 数控机床

（4）整体叶轮铣削时刀具的选择有如下几点。

粗加工刀具：一般采用插铣刀、U钻、飞碟铣刀、用于层铣的机夹类铣刀、整体硬质合金类圆鼻铣刀和球头铣刀。

精加工刀具：一般采用整体硬质合金球头铣刀、圆鼻铣刀或带锥度的整体硬质合金球头铣刀。

刀柄选择原则：粗加工刀柄，装夹插铣刀和U钻时一般选择强力刀柄。装夹插铣刀、U钻、飞碟铣刀、机夹类铣刀或整体硬质合金类铣刀的刀柄使用普通ER刀柄即可。

精加工刀柄：一般采用热胀刀柄和高精度的液压刀柄，减少接刀，提高叶片表面质量。

（5）薄壁零件切削加工变形控制及加工方法改进。

在加工薄壁零件时，零件容易变形，在机械加工的过程中会产生不同的残余应力。变形主要为应力释放变形和受力变形。

薄壁零件切削加工中产生变形的原因主要有以下几个方面：机床本身的刚性和精度限制；数控编程中走刀轨迹的合理性；刀具的磨损和振动；切削力作用；零件受夹具施加的夹紧力作用变形；其他一些随机因素。在以上影响因素中，由于工件的刚度不足和铣削力所引起的工件变形、残余应力引起的加工变形是影响加工质量的主要因素。

改进措施如下：①毛料结构优化。由于零件壁厚薄，整个零件为整体锻件结构。可以有效避免内部应力释放引起的变形问题，提高了零件结构尺寸精度和位置精度。②工艺路线优化。造成零件尺寸精度低，技术条件难以保证。优化后采用车、铣、钻、镗合并加工。在铣端面及钻镗孔工序中将要求最为严格的安装座放在最后加工，零件变形减小，尺寸及技术条件易于保证。③精车、铣削零件及钻孔中采用辅助支撑。在夹具设计中采用径向可调辅助支撑提高零件径向刚性，从而增强工艺系统的稳定性。根据零件的结构在夹具设计上可实现快速换装的辅助支撑，以减小零件切削加工过程中的振颤，从而控制零件的加工变形。④优化数控加工走刀路径。⑤优化检测方法。采用在线测量技术，极大地方便了检测，提高了效率。

5. 结语

一代新材料、一代新型发动机。航空发动机制造企业应大力研究难加工材料切削技术、先进刀具的应用技术、精度与表面质量控制以及工件变形预测与补偿等技术。建立综合优化试验设计体系和切削仿真试验验证体系。大力加强航空发动机切削加工过程控制，促进航空发动机制造水平不断提升。

[1] 王聪梅. 航空发动机典型零件机械加工 [M]. 航空工业出版社，2014.

[2] 韩荣第. 难加工材料的性能特点决定高效加工的有效途径 [J]. 航空制造技术，2010（11）：41-45.