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航空发动机零件制造之刀具和工艺组合拳

2013-01-05    字号:【

由于航空发动机零件的工作区域温度较高,因而工件材料必须具有更高的硬度、强度、韧性,以及更好的抗腐蚀或抗氧化性能。材料通常为镍基合金、高强度钛合金、高合金钢和复合材料,这些材料的机加工性能较差;再加上发动机零件的几何形状和轮廓比较复杂、壁薄、往往尺寸也较大,对工件强度和重量都有严格的限制,无疑使机加工难上加难。选择正确的刀具、刀具组合,并采用更好的工况,就能优化机加工效率。下面是一些航空发动机零件的加工挑战及解决方案。

涡轮盘

涡轮盘的车削工序复杂,材料通常是难加工的合金材料,如Inconel 718、Waspalloy和Udimet 720。此类零件通常是清除型腔轮廓比较困难。

采用模块化的SL70刀具系统 圆刀片具有加工效率高、可达性好等特点。圆刀片刀尖半径较大,可在不降低切削深度的情况下使主偏角更小,从而提高生产效率。SL70的刀板可根据凹型腔的特征设计,无需使用非标刀具或对刀具进行改进。由于用户可灵活地选择各种接柄和刀板,因此可基于有限的刀具库存构建出多种模块组合。刀板考虑了轴向和径向干涉,能够深入到斜槽中 ;高压冷却可使冷却液通过刀板内部直接作用于切削刃口。防振特性在可达性要求较高的场合也能确保高性能,因此刀板在车削深槽特征时,往往能够在更高的进给率下降低振动并获得更长的刀具寿命。

摆线车削 摆线车削可凭借滚入切入的方式来减少刀片接触面。车削凹槽时,排屑始终是关键因素,材料剪切力大导致需要形成更窄的切屑,因此必须平衡刀片槽型和进给量。此举也因直线运动的最大化而获得了最佳的生产效率。摆线车削还能保证在每次退刀时切削力方向不同。由于刀片始终没有离开工件,因此交替变换切削方向能充分利用切削刃口,使刀片更持久耐用。摆线车削可避免切屑堵塞,降低振动趋势和残余应力,非常适合安全高效地去除大量材料。

涡轮机匣

涡轮机匣通常由极具挑战性的材料制成,如Inconel或Waspalloy。由于金属去除量较大,因此在铣削时,容易对零件结构产生重大影响(如变形)。此类零件需要使用大量车铣和五轴加工去除大量材料,导致生产周期非常长。

采用陶瓷材质刀具CC6060 与硬质合金刀具相比,陶瓷切削刀具的耐热性更高,并且不易与工件材料产生化学反应。CC6060是一种优化材质,针对切削长度较大的大直径零件,它可实现更高的进给率和长时间的连续切削。凭借出色的抗沟槽磨损性能,CC6060比其他陶瓷材质更适合大切削深度的零件加工,在半精加工至粗加工的初始和中间切削阶段可确保最佳的生产效率。它也是型腔加工和仿形加工工序的首选。

凸台间的陶瓷车铣 在整个涡轮机匣加工过程中,平均有75%的时间耗费在车铣凸台间的材料上。在利用旋转铣削刀具进行切削时,车铣还牵涉到使工件旋转。这种工序非常适合加工那些金属去除率要求高和有遮断物(如点火凸台)的车削零件。涡轮机匣的凸台位于其圆柱周界的边缘,采用陶瓷刀具进行车铣不仅可降低沟槽磨损,还能提高进给率,获得更高的金属去除率,可谓是去除凸台间材料最高效的方式。

风扇机匣

这类大型钛合金零件可加工性较差,具有形状复杂、壁薄等特点。与镍合金不同,钛合金不能用陶瓷进行加工。在加工时保持低切削温度至关重要。

采用立式车床 为了确保温度可控和极佳的零件精度,应在立式车床上加工;由于冷却液可通过滑枕直接输送到主轴,因此对冷却液的压力没有限制,切削条件和加工安全性得到改善。立式车床须具备手动快换或自动换刀功能。

高压冷却 高压冷却的益处包括改善切屑控制,从而确保切屑从紧密的型腔和凹槽中顺利排出而不会缠绕刀具或划伤零件;降低切削区温度,可最大限度降低刀具磨损,使刀具寿命延长50%,切削速度提高20%。在机床的高压泵产生压力后,利用高精度喷嘴,可将冷却液引导至主切削刃,这有助于在切削期间均匀散热。

盘轴与风扇盘

发动机盘轴和风扇盘具有两种极具挑战的特征:深内腔和燕尾形叶根槽。

采用防振刀板 这将有助于解决常见的振动和排屑问题。防振刀板设计有专利防振装置,可确保工艺更安全高效。与未加装防振装置时相比,切削深度可高出4倍。刀板还能深入到深内腔底部高效去除切屑,确保了加工安全。

深槽内的无振动车削 深槽是此类零件最具挑战性的特征之一。盘轴在深槽加工时容易在凹型腔中形成切屑堆积,导致刀片安全隐患。为了确保加工安全性,应采用无振动车削。椭圆截面的齿纹接口提供了杰出的稳定性和可达性,而3~10英寸高的刀板能实现最佳的冷却液供应以便帮助排屑。

轴采用高合金钢或Inconel制造,面临的主要加工挑战是零件长和内部复杂等特征。

采用Silent Tools减振镗杆

由于轴比较长,因此在镗削期间常常会出现振动,导致出现诸如具破坏性的表面纹理、精度不够、生产率低、加剧刀片消耗和机床磨损、噪声等问题。Silent Tools 镗杆具有嵌入式防振结构,可实现无振动加工,同时还能保持良好的生产效率和满足较严的公差要求。

镗削深孔和孔中的深凹型腔

镗削深孔会导致表面光洁度差,还会因不稳定而引起振动。零件唯一不需要抵消的切削力是轴向力,但径向力会使刀具弯曲而离开切削区,这会对公差和孔径产生负面影响。 通过施加逐渐提高的轴向和径向载荷,在当前频率下,通过优化切削参数,减振镗杆不仅可吸收切削时所产生的任何振动,还能改善切屑控制。

整体叶盘/叶轮

与其他零件相比,整体叶盘具有凹腔狭窄、槽狭长且深等复杂的几何形状,切削时往往需要五轴联动。

采用CoroMill Plura 50度螺旋角带避空整体硬质合金圆角立铣刀 粗加工材料为Inconel的狭槽时,CoroMill Plura特别适合铣削深度约为刀具直径两倍、铣削宽度较小的应用场合。

摆线铣削

摆线铣削是用来去除花边和凹腔中材料的一种高速加工技术。通过平稳圆弧切入和圆弧切出工件来控制铣刀与工件的接触弧长,可获得更高的生产效率和更长的刀具寿命。摆线铣削能够将高工作台进给与低切削力有机结合,从而使切削刃和工件保持较低的温度。该方法采用了薄屑技术,可减少切屑中的热积聚,使刀具全切深运行;此外还减少了走刀次数。

(责任编辑:zx_hans)
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