【編者按】為了提高發(fā)動機的可靠性和推力，先進高性能發(fā)動機采用了大量新材料求驳，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜迂溉，加工精度要求越來越高，對制造工藝提出了更高的要求郊檐。

　　在新一代航空發(fā)動機性能的提高中玩捉，制造技術(shù)與材料的貢獻率為50%~70% ；在發(fā)動機減重方面茴怀，制造技術(shù)和材料的貢獻率占70%~80%词宴，這也充分表明先進的材料和工藝是航空發(fā)動機實現(xiàn)減重、增效找筝、改善性能的關(guān)鍵[1]蹈垢。

　　鈦合金材料因比強度高、密度小袖裕、耐腐蝕曹抬、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用急鳄“瘢基于上述優(yōu)點，鈦合金材料成為飛機發(fā)動機一些零部件的首選材料疾宏。

　　鈦合金材料的切削特點

　　鈦合金的一些物理力學(xué)性能給切削加工帶來了較大難度张足。鈦合金切削時變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路程增大坎藐，加速刀具磨損[2]兢榨。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削時產(chǎn)生的熱量不易傳出顺饮，集中在切削刃附近的小范圍內(nèi)吵聪。鈦合金彈性模量小，加工時在徑向力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動嫌盲，加大刀具磨損并影響零件的精度董记。由于鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下赐赁，刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損檀塌。
航空發(fā)動機行業(yè)常用的難加工材料包括高溫合金、鈦合金等雕踊。航空發(fā)動機難加工材料加工中普遍面臨的難題是切削效率偏低前河，這制約了新產(chǎn)品研制的快速反應(yīng)和現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)批量擴大。據(jù)了解挺候，國外銑削加工一臺同直徑尺寸鈦合金整體葉盤框嫁，從實體環(huán)形毛坯到精加工后的成品所需加工時間僅為國內(nèi)加工時間的1/3左右。差距如此之大即钞，從一個側(cè)面反應(yīng)出我國難加工材料的加工技術(shù)亟待提高形炬。

　　合理選用刀具材料

　　刀具材料是影響切削加工的重要因素之一，所以合理選擇刀具材料是解決難加工材料切削的一條有效途徑部爱。鈦合金材料切削用刀具有硬質(zhì)合金刀具亏吝、涂層刀具、立方氮化硼（CBN）刀具盏混、金剛石刀具和高性能高速鋼刀具等蔚鸥。不同材料的刀具有特定的適應(yīng)加工范圍，其壽命也存在差異许赃。被加工材料的特性往往是選擇刀具材料的基本依據(jù)株茶，同時刀具材料與工件材料的切削性能要合理匹配。刀具材料的性能對加工表面質(zhì)量图焰、加工效率和刀具壽命有重要影響。
航空發(fā)動機機匣類和整體葉盤類零件的大量加工經(jīng)驗表明蹦掐，加工工況也是選擇刀具時需要參考的條件之一技羔。當(dāng)被加工零件結(jié)構(gòu)特殊、剛性較弱卧抗、工藝中又無法增強其剛性時藤滥，切削中會有振顫發(fā)生。此時社裆，選擇刀具需要考慮刀具材料具有一定的韌性拙绊，避免刀具崩刃現(xiàn)象產(chǎn)生，造成刀具過快報廢谈毫。

　　刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　刀具的切削性能不僅取決于刀具材料哟俩，還與刀具的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)[2]。切削難加工材料時，適宜刀具的幾何形狀有助于充分發(fā)揮刀具的切削性能褐琼，提高切削效率订淑。刀具的主要幾何參數(shù)有前角、后角涤瘸、主偏角搁排、副偏角、刃傾角和刀尖圓角半徑等延砾。

　　刀具的前角愈大占窥，刀具愈鋒利，切削力愈小段辈，適用于精加工唆海。

　　鈦合金已加工表面材料回彈大，采用大后角可減少工件對后刀面造成的摩擦和粘結(jié)等現(xiàn)象肖喂，并減少后刀面的磨損簇抵。粗加工時，為增加刀具強度射众，宜選用小后角碟摆。

　　切削鈦合金時切削溫度高、彈性變形傾向大叨橱，在工藝系統(tǒng)剛性允許的條件下典蜕，應(yīng)盡量減小主偏角，以增加切削部分的散熱面積和減小切削刃單位長度上負(fù)荷罗洗。減小副偏角可以加強刀尖愉舔，有利于散熱和降低加工表面粗糙度值。

　　在毛坯有硬皮和表層組織不均勻的狀態(tài)下伙菜，粗車時切削刃容易崩損轩缤，為了增加切削刃的強度和鋒利程度，應(yīng)加大切削的滑動速度贩绕，選擇適宜的刃傾角火的。

　　國內(nèi)有學(xué)者通過對高速銑削加工開展數(shù)值模擬研究[3]，把高速銑削過程簡化淑倾，建立了斜角切削幾何模型和有限元模型馏鹤。用這些模型預(yù)測高速切削過程中不同刀具幾何參數(shù)組合下的切削力，給高速數(shù)控銑削過程中的刀具選擇提供依據(jù)绸廉。

　　近年來在深型腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工中牵蠢，刀柄的整體幾何形狀也引起了工程技術(shù)人員的注意。例如在精銑削整體葉盤的輪轂與葉片型面時（圖1）姨痊，需要采用整體硬質(zhì)合金直柄球刀仓疯。當(dāng)兩葉片之間間距過于狹窄或葉片根部與輪轂轉(zhuǎn)接R 較小時，刀具直徑減小。為增強刀具的剛性和提高加工效率多盅，往往采用錐柄球刀（圖2）把毒。特別是在使用大長徑比刀具的工況下，和直柄球刀相比勤右，錐柄球刀使刀具系統(tǒng)剛性增強徽捶，可以使刀具每齒進給量增大，加工時不易折斷虫甲，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于直柄球刀淡箱。

　　提高刀具耐用度和加工效率的工藝對策

　　鈦合金切削時，切削刃附近區(qū)域切削溫度高辩块，主要是高溫?zé)嵝?yīng)作用下加劇了刀具磨損蛔六。對于硬質(zhì)合金刀具而言，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起的粘附磨損废亭。在刀具直徑允許情況下国章，可以盡量采用帶有內(nèi)部冷卻功能的刀具，這種刀具噴出的冷卻液角度恰好集中在刀尖區(qū)域豆村，可有效地降低切削區(qū)域溫度液兽，延長刀具壽命，提高刀具的耐用度掌动。通常內(nèi)冷刀具直徑較大四啰，對于小曲率半徑的曲面或區(qū)域，可以預(yù)先采用大直徑帶內(nèi)冷的刀具進行粗加工粗恢，以提高加工效率柑晒。

　　銑削加工是不連續(xù)的切削過程，加工中刀具承受斷續(xù)的沖擊負(fù)荷眷射，在銑削加工中發(fā)現(xiàn)匙赞，工藝裝備系統(tǒng)的剛性較差時，在切削力只逐、裝夾力季距、切削振顫等因素作用下，刀具磨損加劇坠诈，耐用度明顯下降。同時工件表面出現(xiàn)振紋帘缤，影響表面質(zhì)量扯氯。因此提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性，改善裝夾方法或工件夾緊部位憋屑，提高工件銑削時的穩(wěn)定性烟内，可以降低振顫，減少磨損，提高刀具耐用度面旋。在機械加工中摇龟，通常要求裝夾定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)、加工后的檢測基準(zhǔn)為同一個基準(zhǔn)吟沮。對于大型薄壁弱剛性工件整體葉盤而言遮乾，考慮到增加零件銑削時的剛性，在銑削加工中將工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到靠近葉片的輪轂處（圖3）刹勃。通過不同裝夾部位的對比加工和驗證堪侯，獲得了較好的加工精度和加工效率。

　　采用澆注填充材料的工藝也可以有效地抑制振顫發(fā)生荔仁。在大型鈦合金整體葉盤的葉片型面銑削加工中采用了該項工藝伍宦，消除了葉尖表面顫紋，使葉身型面刀具軌跡均勻乏梁，有利于后續(xù)無損檢查工序的進行次洼。由于工件系統(tǒng)剛性增強，提高了走刀進給率遇骑，使銑削效率得到提高卖毁。

　　刀具磨損自動監(jiān)測技術(shù)近年來發(fā)展的比較快，有資料報道國外進行了有效應(yīng)用质蕉，在安全使用的范圍內(nèi)势篡，最大限度地延長了刀具的使用時間。磨損是刀具主要失效因素之一模暗，在加工中刀具壽命一般來自切削試驗禁悠，根據(jù)刀具磨損程度和加工時間確定，但通常留有一定裕度沽票。常規(guī)加工中撤筐，機床操作者可以根據(jù)機床振動變化、切削噪聲的突然提高憋考、主軸功率顯示表等判斷刀具磨損的情況午伍。如果加工中應(yīng)用刀具破損自動監(jiān)測技術(shù)，能夠動態(tài)隨時準(zhǔn)確進行刀具磨損狀態(tài)分析绪樊、監(jiān)控傲轮，則刀具壽命可以安全地適度延長。

　　鈦合金高效切削參數(shù)獲取

　　企業(yè)在目前的產(chǎn)品制造中藐篡，已經(jīng)滿足了刀具軌跡的優(yōu)化驗證需求百膳，但尚未完全解決優(yōu)化切削參數(shù)的獲取方法問題。近年來辑剿，各企業(yè)正在積極研究鈦合金的高效切削技術(shù)冀态。據(jù)悉吮骑，西方國家大型鈦合金整體葉盤切削速度可以達到300mm/min 或更高。航空發(fā)動機制造企業(yè)所擁有的進口機床先進性與國外企業(yè)相當(dāng)赋遇，切削所采用的刀具相當(dāng)一部分也是進口刀具循头，可以說從硬件上已經(jīng)具備了相同的實力，但是加工效率和國外相比差距不小炎疆，特別是鈦合金等難加工材料的加工效率亟待提高卡骂，經(jīng)分析存在以下一些原因。

　×坠汀（1）有針對性的基礎(chǔ)切削試驗不足偿警，難以得到具有較高切削速度的參數(shù)做工藝決策支撐。

　∥稀（2）企業(yè)獲取切削參數(shù)渠道有限螟蒸，通常來自刀具供應(yīng)商手冊推薦數(shù)據(jù)。這種參數(shù)盡管是來自于國外供應(yīng)商較為系統(tǒng)的切削試驗數(shù)據(jù)崩掘，但試驗條件和環(huán)境與企業(yè)加工零件的工況差異不同七嫌，很難完全照搬手冊數(shù)據(jù)。

　“（3）高效切削參數(shù)試驗和獲取的周期較長诵原。由于企業(yè)機床以產(chǎn)品批量生產(chǎn)為主體，很難抽出專用設(shè)備開展專項試驗挽放，切削數(shù)據(jù)的優(yōu)化試驗往往與真實零件的加工同步進行狠寒，存在較大風(fēng)險。特別是在精加工工序质脐，切削后零件表面已經(jīng)無余量伐狼，要顧及到萬一切削參數(shù)使用不當(dāng)，產(chǎn)生斷刀嗜谎、崩刃或其它極容易引起表面質(zhì)量問題的情況岁十。因此，高效切削參數(shù)試驗數(shù)據(jù)的選取需要分階段逐步提升早知，謹(jǐn)慎而行惦踩，不可能在較短的周期內(nèi)快速提高。往往需要多個批次南砰、多個零件的加工驗證敲骏，乃至持續(xù)數(shù)年，從驗證機到原型機涨拣，甚至產(chǎn)品進入定型階段還在進行提高加工效率的精益改善蝇降。

　　（4）科研院所的研究成果工程化推廣與應(yīng)用不充分卫漫。事實上科研院所對難加工材料的高效加工極為重視菲饼，并開展了大量試驗，取得一些成就列赎。但所作的切削試驗不是完全基于發(fā)動機零件的真實加工環(huán)境宏悦，包括試驗零件所選取的工藝特性數(shù)據(jù)例如：零件真實尺寸、結(jié)構(gòu)形狀包吝、零件剛性饼煞、裝夾方式、刀具懸伸等等诗越。因而是一種共性的試驗而不是典型特征試驗砖瞧，因此切削參數(shù)在實際應(yīng)用中有局限性。作為企業(yè)一方亟需要得到科研院所的技術(shù)支撐嚷狞，共同合作块促，以加快企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和提升制造能力的步伐。

　　國外的高效（高速）切削參數(shù)多數(shù)來自設(shè)立在企業(yè)的切削實驗室床未，根據(jù)試驗結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場竭翠，通常大型企業(yè)的切削試驗室科研能力與高校不分伯仲。這種科研體制具有針對性強薇搁、見效快祠劣、易于全面推廣的優(yōu)點。

　　“交鑰匙”工程是近年來頗受企業(yè)青睞的一種有效獲取高效加工或新產(chǎn)品工藝方式之一挺皆『穆埽“交鑰匙”工程是在引進國外先進工藝加工零件，由企業(yè)額外支付一定費用否因。

　　國外大型高端機床供應(yīng)商通常擁有專門的切削實驗室舆佩，具備較高的研發(fā)能力。為拓寬銷售渠道万杉，擴大市場份額袖况，往往以“交鑰匙”的方式按客戶需求承擔(dān)研發(fā)任務(wù)。借助這種方式奸冶，企業(yè)在引進抢驴、消化、吸收卢历、提高的基礎(chǔ)上做身，以最快的速度獲取所需要的高效切削技術(shù)，不失為一條快捷的途徑蜒秤。

　　切削過程物理仿真技術(shù)應(yīng)用

　　隨著數(shù)字化制造技術(shù)的飛速發(fā)展汁咏，金屬切削過程的有限元仿真作為制造工藝的一種新型技術(shù)，正逐漸融入機械加工領(lǐng)域作媚，是推動未來高效切削工藝快速發(fā)展的途徑之一攘滩。

　　通過切削仿真不僅可以預(yù)報切削力帅刊，分析切削過程中應(yīng)變、應(yīng)變率漂问、應(yīng)力和溫度等狀態(tài)變量的分布赖瞒，同時還可以預(yù)報刀具磨損、工件殘余應(yīng)力蚤假，并進一步優(yōu)化切削參數(shù)栏饮。有限元法的引入豐富了鈦合金切削機理的研究手段。研究學(xué)者針對鈦合金加工中的刀具磨損仿真預(yù)測進行了研究磷仰，建立了綜合考慮刀具多種磨損因素下的仿真模型袍嬉，可在一定程度上實現(xiàn)刀具磨損的仿真預(yù)測。隨著數(shù)值計算理論和軟件工具的不斷發(fā)展灶平，切削過程仿真和預(yù)測必將在切削加工理論和技術(shù)的研究中起到重要作用[4]伺通。

　　工程技術(shù)人員可以依據(jù)仿真結(jié)論提前預(yù)測弱剛性部位的變形規(guī)律，重新建立供數(shù)控編程用的適宜變形部位加工的三維幾何數(shù)據(jù)模型帆伯。

　　結(jié)束語

　　鈦合金材料的高效切削技術(shù)是航空發(fā)動機行業(yè)內(nèi)重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)悟津，它可以使發(fā)動機制造行業(yè)產(chǎn)能實現(xiàn)大幅提高，充分體現(xiàn)“科技是第一生產(chǎn)力”的內(nèi)涵吸坐。本文通過對鈦合金材料整體葉盤宗瓢、壓氣機機匣的切削實踐，總結(jié)了鈦合金切削特點痢抹、切削刀具材料旷厨、刀具結(jié)構(gòu)、鈦合金高效切削參數(shù)的獲取以及提高刀具耐用度和加工效率所采取的工藝對策院籍，希望能起到一些參考作用腋意。

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