高效切削在航空发动机制造业上的应用
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高温合金的加工完全可以实现高速切削,但由于高温合金特殊的加工性能,当车削速度达到>120m/min 时,就失去了加工的实际意义。

一、引言

高速切削理论是二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。其理论简言之就是认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后,切削温度不再随切削速度的增加而增加,反而会随切削速度的增加而降低,即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。该理论经过几十年的研究与应用,已逐渐成为现代高效切削加工的趋势和发展方向。80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料,其中加工铸铁和铝合金最为普遍。
在金属切削过程中,选择很高的切削速度,并不一定是提高加工效率的唯一方法。这种切削方案实际存在着许多问题,其中最大的问题是:主要目的是用于提高生产效率的高速切削,实际上并没有提高生产效率。它要求机床在高转速下切削,但为提高机床主轴转速来提高切削速度,往往是以降低进给量﹑减小切削深度为代价的。所以切除率很低,生产效率不高。当然,这时机床的主轴功率可以很小。这一点对于那些尺寸精度、表面粗糙度及表面完整性要求很高的零件的精加工(要求零件不变形,因而切削中产生的切削力要小等一系列极其苛刻条件下的加工),确是非常有利的。
真正意义上的高效加工应该是切削加工中加工零件的质量与生产效率的共同提高。

二、航空发动机制造业的特点和现状

航空发动机的零部件材料很大一部分是Ni基高温合金,属于难加工材料中很难加工的材料,且大部分零件的加工为车削加工,其相对切削性能小于0.2(正火状态45#钢的相对加工性能为1)。其难加工的主要特点为:
  1. 切削力大。高温合金的切削力为中碳钢的两倍以上。
  2. 切削温度高。切削高温合金时,由于变形抗力大,刀面与切屑和工件间的摩擦剧烈,单位切削功率大,消耗的功率多。
  3. 刀具磨损剧烈。其原因仍然是切削温度高,材料硬度高,粘结磨损严重,易产生积屑瘤和棱刺。
由于以上的诸多原因,目前国内加工高温合金的现状是切削速度低,普遍在35m/min左右,进给量低,为0.05-0.2mm/r,造成切削加工效率极低,且刀具磨损仍然严重。
如何提高加工效率,将高效切削引入到航空发动机行业的加工中,是很多人长时间来一直在探讨和研究的问题。

三、高温合金高效切削的研究

刀具结构及材料的选择在高温合金的加工中十分重要。
刀片材料要求具有很高的抗氧化性、红硬性、耐磨性;选择纯W-Go合金,如株洲钻石切削刀具股份有限公司的YD101(YT类硬质合金抗弯强度及导热性较纯W-Go合金差,同时为了避免硬质合金材料中Ti与高温合金材料中Ti相互扩散),YBG102涂层厚度很薄,仅0.002~0.004mm,抗粘结能力强,适合高温合金材料的高效率加工。
另外,由切削实验可以看到,用同一种槽型的刀片加工镍基高温合金比加工45﹟钢的切削力要大得多。同时,我们还可以看到,加工镍基高温合金时,采用不同的刀片槽型可以获得不同的切削力。

DNEG150608-NF /YBG102
刀片槽型在整个切削过程中极为重要,涉及到断屑、导屑、排屑的顺畅,还涉及到有效克服加工硬化,尽可能减小切削阻力,以及有意识地控制各类磨损的扩大,延长刀具寿命,提高工件表面质量,和提高切削速度等。因此,要求加工高温合金的刀片槽型具有坚固而锋利的刀片刀尖、光滑的前刀面,在精加工产品中还须有合理的刃倾角;还需选择合理的机体材质与涂层,还有合理的表面处理与刃口处理。
配套设施应选择功率大、刚性好的机床,使用冷却效果好的切削液,推荐选用极压切削液,不含硫。
在金属切削过程中,选择很高的切削速度,并不一定是提高加工效率的唯一方法。尤其的高温合金的切削时,过于靠提高切削速度,来提高加工效率,显然是不现实的,它既会大大增加刀具消耗成本,同时甚至根本无法完成加工程序。此时不要忽视在中等切削速度下加大进给量的加工方案,这是由大量切削实践得出的结论。
高温合金在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑,随切削速度的提高,锯齿化程度增高,直至形成分离的单元切屑。

V=35m/min,f=0.15下的切屑

V=60m/min,f=0.15下的切屑

V=80m/min,f=0.15下的切屑

V=120m/min,f=0.15下的切屑

V=180m/min,f=0.15下的切屑

V=250m/min,f=0.15下的切屑
由于高速切削时切屑状态的单元化,难加工材料Ni基高温合金的加工完全有可能在现有切削速度下实现高速化。难加工材料的切削条件历来都设定得比较低,随着刀具性能的提高,高速高精度CNC机床的出现,以及高速切削方式的引进等,目前,难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在,采用小切深以减轻刀具切削刃负荷,从而可提高切削速度和进给速度的加工方式,已成为切削难加工材料的最佳方式。当然,选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要,而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。
在进一步的切削实验中,我们发现在同一切削速度(v=80m/min)不同进给量下的切屑状况:

f=0.15mm/r

f=0.25mm/r

f=0.4mm/r
可见,在同一切削速度下,随着进给量的增大,切屑形成分离的单元切屑的趋势越明显。
那么,在何种切削速度下,切削加工能达到最佳效率,且刀具的成本能降到最低?我们再看在不同切削速度下的刀具磨损状况:
实验材料:国产高合4133,切削性能更低于进口材料incon718。
80m/min切削速度下加工时间6min,刀片前后刀面的磨损状态
120m/min切削速度下加工时间1′25″,刀片前后刀面的磨损状态
由大量的切削实验得知,在高温合金的车削加工中,当切削速度达到80-100m/min时,YBG102涂层刀片的性能完全能满足加工要求,并使刀具寿命及工件状态达到最佳。当切削速度大于120m/min时,由于刀具磨损过快,已经失去了加工的意义。
要提高生产效率,就必须提高切除率。由切削原理可知,金属切削中的切除率与切削速度﹑进给量和切削深度有着密切的关系。
切除率 V=1000*ap*fn*v (mm3/min)
可见切除率与切削速度﹑进给量和切削深度存在着简单的线性递增关系,但简单的追求高的切除率,在实际加工应用中是不成立的,因为在目前的刀具条件下,是不能采用过高的切削速度﹑进给量和切削深度的。因此,实际意义上的高效加工必须是高的切除率和高的切除量的最佳结合。
切除量 Q=1000*ap*fn*v*T (mm3)
=V*T (mm3)
T—加工时间,即刀具寿命。
实验表明切除率与切除量之间,存在如下的涵数关系:
大量的切削实验表明,国产YBG102在高温合金的的车削加工时,最大切除量为40000-45000mm3/刃,由此可以根据实际加工的需要,依照以上关系,合理安排切削速度﹑进给量和切削深度。其中进给量取值在0.1-0.4mm/r,切削速度可达80-100m/min。

四、结论

  1. 高温合金的加工完全可以实现高速切削,但由于高温合金特殊的加工性能,当车削速度达到>120m/min 时,就失去了加工的实际意义。
  2. 高温合金的高效加工必须是高的切除率和高的切除量的最佳结合。
本文作者:株洲钻石切削刀具股份有限公司设计工程师 刘敏
原载:中国刀协专供
上载于:2006-9-29 21:45:01

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