采用新刀具解决发动机切削问题案例分析

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随着航空制造业的不断发展，难加工材料的用量迅速增加，加工的矛盾也更加突出。航空发动机难加工材料，一般相对加工性都很低，同时航空发动机-零件（如盘轴、机匣件）的形状复杂，表面完整性、形位公差要求又高，更增加了加工难度。因此，选择匹配的刀具保证加工出合格零件是非常重要的。
目前，各-刀具公司也针对发动机难加工材料，不断地研究出适合其加工性的新刀具产品。以下是我们在实际工作中采用新刀具产品解决发动机难加工件的切削问题的几个案例： 
镍基高温-合金内孔的精加工 

某发动机零件，材料是GH4169，在车内孔工序中加工长度为109.5mm，孔径为166mm。由于内孔表面跳动值是0.02，表面粗糙度是Ra0.8，要求很高，而材料本身加工性又很差，使用一般的刀片进行精加工一直很难保证要求，跳动值一般在0.05，经常超差；而且加工效率也较低，刀片很容易磨损。 
为解决这个问题，我们经试验比较选择了山特维克可乐满的新刀片产品VNGP160408 S05F。该刀片采用了新技术，是专为解决镍基高温合金的切削而设计的。材料的晶粒更细，表面有4μm的CVDTiCN-Al2O3-TiN薄涂层，根据产品样本介绍，该刀片特别适合镍基高温合金的精加工，其耐磨性好，适用于小切深。 
试验时我们采用的参数为n=40 r/min，f=0.18mm/r，ap=0.1mm。但加工后跳动值仍然是0.025，而且刀片也有磨损。通过分析，我们认为是切削参数过低造成的。首先0.1mm的切深，是在硬化层上切削，严格地说不是切削而是磨削。况且硬化层比基体硬得多，当然刀片磨损得快；另一方面其线速度过低，容易造成冷焊现象，导致表面质量不好。而且该刀片是G公差，速度高些才能显示出优越性。所以提高参数：n=60r/min，f=0.18mm/r，ap=0.25mm。加工几刀后，刀片几乎没有磨损, 跳动值0.01，在公差范围内，表面很好，达到Ra0.8以下。切削时间与原来相比减少了7min。采用这种新型刀片解决了超差的问题，保证了质量，而且综合计算成本也有所降低。 
五刃铣刀高效加工环形件 
有一封严环形件，材料是GH4133B，用一般的铣刀切削参数很低，而且刀具寿命也低，频繁换刀，机床占用时间长。为提高效率、减少机床占用时间，我们采用了肯纳新型高性能整体硬质合金立铣刀VDDE1200 KC633M。这种铣刀有5个切削刃, 能获得更高的金属移除率。刃间角不等分, 能减少振动。该铣刀的特点是既有较高的效率，又有足够的容屑空间。在近端齿芯部直径小，近柄部芯部直径大，断面呈抛物线状，而且是不等分的刃倾角，可使切削平稳，减少振动，每个槽型也不相同。 
经过试验，我们最终采用的参数是：n=1000r/min，f=200mm/min，ap=4.5mm，ae=6.5mm，一把刀具可加工3件。而用原来四刃刀具的参数仅为n=300r/min，f=70mm/min，一把刀只能加工2件。相比之下，采用这种新型刀具，效率大幅度提高。 
大直径薄壁件的加工 
我公司加工一转包零件是1m多直径的环形件，壁厚2mm，其跳动值要求很高，而且是高温合金材料，很难保证形位公差。由于直径大且壁薄，一般刀片加工都会产生变形。而且变形后发生让刀现象，表面加工硬化，刀具易受磨损。 
通过分析我们认为加工此件过程中防止变形是主要的任务，这就需要刀具锋利，不能产生加工硬化。我们大胆采用了加工铝合金的大前角抛光刀片，这种刀片本是加工铝材料的，现在用在高温合金壁薄件加工上效果也很好。我们先后试验了山特维克可乐满刀片VBGT160408-W-25、山高的VCGT160408F-AL KX效果都很好。原来刀片加工一个大面过程中要换刀，有接刀痕而且变形量在0.05以上，需补加工。用大前角抛光刀片中间不需换刀，由于刀尖锋利，也大大减小了变形量，其变形量控制在0.02以内，保证了形位公差要求。在刀具使用上，拓展一下思维，就能带来很好的效果。 
端面槽的高精度加工 
有一零件，材料为GH4133。此件有端面槽，宽10mm左右，深28mm，且槽表面跳动值在0.015，用原来的刀片很难保证，经常超差，因为一般厂家的槽刀定位方式是V型弧面定位，用侧刃加工会有微小窜动，尽管这些微小窜动仅在若干微米区间，但如果不断重复，使切削刃处于不适当的位置，就会影响0.015跳动精度的保证。 
我们查阅了资料，选择了山特维克可乐满新材料刀片N123H2-0400-0004-TF 1105，刀杆RE123H25-25B-132BM。此刀片和刀杆配合是T型导轨定位，这种T型导轨设计将刀片准确固定在刀体上并高度稳定保持切削刃位置，不会产生窜动。我们用T型导轨定位的槽刀加工，有效地解决了槽表面跳动值超差问题，保证了0.015的跳动精度。这种结构的定位方式在环形薄壁件的端面槽加工中，也得到了很好的应用。 
陶瓷刀片加工钴基高温合金 
我公司加工的一转包件，材料是钴基高温合金，在加工中出现了问题：加工效率极低，刀具磨损严重，而且不能保证尺寸精度和表面质量。我们根据现场磨损的刀片，得出这样的结论：所采用的刀具材料和被加工材料不匹配。被加工材料是钴基高温合金，它要比镍基高温合金难加工得多，切削抗力更大，切削温度更高。要选择与被加工材料在物理、化学，尤其是机械性能都匹配的刀具才能保证加工。 
 我们根据用陶瓷刀具切削中介机匣的经验，采用了肯纳的赛阿龙陶瓷刀具RNGN120700KY2100、山特维克可乐满矽铝氧氮陶瓷刀片RNGN120700 6065，效果很好，不但效率高，尺寸精度、表面质量也不错。采用陶瓷刀片进行高速切削时，切屑形态也发生了变化：由带状屑转变为单元切屑。切屑与前刀面的摩擦不再是切削力和切削热的主要来源；后刀面处工件材料的弹性变形也由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减小，使后刀面的摩擦也随着减小，从而对降低切削力和切削热产生有利影响。 
陶瓷刀片和硬质合金刀片相比，用此刀片加工钴基高温合金效率大幅度提高，是原来刀具的16倍以上，且尺寸精度、表面质量良好，没有让刀。而用原来刀具磨损严重，质量难以保证。赛阿龙陶瓷刀具更适合加工钴基高温合金。 
由于我们选择了新产品、新型刀具，提供了合理的切削参数，不但解决了发动机难加工零件的超差问题，保证了质量，减少了刀片的磨损，而且也大幅度提高了效率。今后我们还会关注各刀具公司为航空发动机难加工材料所研制的新刀具产品，来解决我们发动机难加工零件的切削问题。