整體葉盤高效加工技術(shù)與刀具應(yīng)用分析

陳樹巍

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

1998年以來(lái)，我國(guó)進(jìn)入了航空大發(fā)展時(shí)期。近幾年隨著各種新型號(hào)軍、民機(jī)先后升空，我國(guó)對(duì)自主先進(jìn)大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求與日俱增。發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠。其制造能力直接標(biāo)志著國(guó)家的頂尖制造水平，現(xiàn)美國(guó)和英國(guó)牢牢掌控大推力先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，在行業(yè)中呈壟斷形式。自2005年“太行”定型后，我國(guó)對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制及量產(chǎn)有了新的需求，其中，整體葉盤制造更是核心瓶頸技術(shù)攻關(guān)之一。隨著近幾年的外來(lái)技術(shù)引進(jìn)及國(guó)內(nèi)的制造水平提升，發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造技術(shù)被攻克，但加工效率低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量產(chǎn)需求，工藝技術(shù)及刀具需進(jìn)一步研發(fā)。刀具是機(jī)械加工的基本硬件之一，合適的刀具能提高零部件的加工效率、加工精準(zhǔn)度，降低生產(chǎn)成本。

1 整體葉盤材料特性及整體葉盤盤銑加工技術(shù)分析

1.1 整體葉盤材料特性

整體葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的組成之一，整體葉盤的存在能提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、減小重量、提高耐久性與可靠性。常見的整體葉盤材料是TC4鈦合金材料，該材料屬于（α+β）型鈦合金，有好的比強(qiáng)及熱強(qiáng)度，具有良好的抗腐蝕和抗疲勞性能，同時(shí)該材料同時(shí)具備α、β雙向組織，能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，最大化地提高飛機(jī)的使用壽命，降低飛機(jī)后期成本。但是，該材料屬于典型難加工材料，主要原因有：鈦合金彈性模量低，加工中易產(chǎn)生變形；摩擦系數(shù)大，刀具易磨損；熱導(dǎo)率低，加工時(shí)熱量不能有效傳遞，刀具溫度較高，處理不當(dāng)很容易造成粘刀，加快刀具磨損；化學(xué)活性高，加工中形成硬化層，硬度大量提升，且易于燃燒?？傊?，（α+β）鈦合金材料雖有良好的使用優(yōu)點(diǎn)，但鑒于加工難，經(jīng)常容易出現(xiàn)制造問題，因此選用合適的刀具才能為制造高效的整體葉盤奠定基礎(chǔ)。

1.2 整體葉盤高效加工技術(shù)

整體葉盤加工技術(shù)有很多種，在使用鈦合金的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行切割的工藝很多，筆者列舉四種常見技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。

1.2.1 電火花加工技術(shù)

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有穩(wěn)定性好，適用范圍廣，葉片剛度高不會(huì)輕易變形。缺點(diǎn)有電極容易被損耗，加工后材料附著于變質(zhì)層難以清理，加工效率有限。電火花加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)主要用于閉式葉盤。

1.2.2 電解加工

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有葉片剛度高，不會(huì)輕易變形，適用于很多精準(zhǔn)度高的難加工材料，效率不錯(cuò)。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性相對(duì)較差，生成的電解溶液容易污染環(huán)境，難處理。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)被應(yīng)用于開式葉盤，整體應(yīng)用次數(shù)不高。

1.2.3 電子束焊接、線性摩擦焊

這種技術(shù)主要面向空心葉片整體葉盤制造及整體葉盤修復(fù)。應(yīng)用于普通整體葉盤時(shí)，可以有效降低毛坯成本及機(jī)加設(shè)備占用時(shí)間。但是，存在焊接精度不夠和變形的情況不能避免，往往需要自適應(yīng)加工與之配套?，F(xiàn)中國(guó)航空制造技術(shù)研究院已具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)積累，但沒有大規(guī)模投入實(shí)際生產(chǎn)。

1.2.4 整體數(shù)控加工

該技術(shù)加工精度高，穩(wěn)定性高，是目前葉盤加工技術(shù)中平均耗時(shí)最短、效率最高的技術(shù)，適用于批生產(chǎn)。常用的加工方案先使用插銑或者盤銑方式進(jìn)行通道大量去除，后使用球刀進(jìn)行精加工。缺點(diǎn)是前期對(duì)設(shè)備、配套軟件及工藝人員水平有著較高要求，穩(wěn)定生產(chǎn)后，刀具的壽命直接影響整體盤的加工效率。

2 整體葉盤高效加工刀具方案

2.1 整體葉盤加工刀具材料優(yōu)選

高效加工中，刀具成本在總成本中僅占少數(shù)比例，故在條件允許的情況下，盡量選用高速高效且耐用的刀具，以提高、穩(wěn)定加工質(zhì)量，增加整體加工效率，降低總成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)TC4的特性，刀具中的TiC含量應(yīng)盡量少，從實(shí)踐上來(lái)看，應(yīng)選用YG類的硬質(zhì)合金刀具。隨著PCD及PCBN的成熟發(fā)展，兩者在鈦合金加工領(lǐng)域均有較好的表現(xiàn)，配合合理的涂層，可以更大地發(fā)揮刀具降本增效的作用。

2.2 刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的整體葉盤，需要選用與之對(duì)應(yīng)的刀具。各廠商現(xiàn)有的刀具商品不能滿足加工質(zhì)量、加工效率需求的時(shí)候，就需要針對(duì)實(shí)際情況優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，定制刀具。為了讓優(yōu)化的刀具能滿足整體葉盤的實(shí)際情況，需先建立仿真系統(tǒng)和參數(shù)模型，在仿真系統(tǒng)和模型中，人們能快速了解刀具載荷情況，分析易受損部位，通過測(cè)量參數(shù)確定實(shí)際刀具的選用尺寸、刀刃角度、數(shù)量、分布等，然后進(jìn)行大量的切削試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性。除此之外，還要考慮葉盤的實(shí)際情況及編程的復(fù)雜程度及工藝性。比如，插銑刀的尺寸是否滿足路徑規(guī)劃，是否可以最大限度地去除通道余量；盤銑刀需要切割什么樣的凹槽，切割后能否順利排屑；球頭刀的刀桿是否有足夠的剛度，是否會(huì)干涉等。值得一提的是，刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不是朝夕間就能實(shí)現(xiàn)的，要通過反復(fù)建模、反復(fù)試驗(yàn)才能選出最合適的刀具。

2.3 刀具涂層在加工鈦合金材料的應(yīng)用

刀具涂層也是提升銑刀穩(wěn)定性的手段之一，歐美國(guó)家在航空制造業(yè)起步價(jià)早，很早就開始研究刀具涂層在鈦合金材料切削的應(yīng)用。學(xué)者E O Ezugwu、Z M Wang曾使用單層TiN的PVD涂層和多層的TiN/TiCN/TiN的PVD涂層進(jìn)行切削試驗(yàn)，在同等條件下，單層和多層的刀具表征不一。試驗(yàn)結(jié)果表明，單涂層的銑刀在切割后后刀面磨損比多涂層銑刀后刀面磨損重，也就是說，多涂層確實(shí)能提高刀具的耐性，多涂層的物質(zhì)對(duì)刀具形成保護(hù)層，讓刀具有了對(duì)抗磨損的能力。隨著刀具涂層理論的深化，人們對(duì)涂層的內(nèi)容有了新的看法，推出了軟涂層、硬涂層、梯度涂層等?，F(xiàn)在主流的鈦合金涂層有TiAlN、AlTiN、AlCrN等，企業(yè)可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的涂層保護(hù)刀具，這是一種養(yǎng)護(hù)措施，能降低磨損和維修成本。

3 結(jié)語(yǔ)

航空制造業(yè)彰顯一個(gè)國(guó)家的制造水平，體現(xiàn)國(guó)家技術(shù)研發(fā)和技術(shù)制造的工藝程度，與歐美國(guó)家相比我們起步較晚，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在核心技術(shù)上受制于人，為了增強(qiáng)我們的制造質(zhì)量，改變現(xiàn)狀必須加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用，提高技術(shù)應(yīng)用的精準(zhǔn)度。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的高效加工技術(shù)和刀具應(yīng)用進(jìn)行了研究，從整體葉盤高效加工方案、刀具選材優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、刀具涂層幾方面分析了自己的看法，選取適宜的刀具能降低磨損程度，延長(zhǎng)使用壽命，提高效率及加工質(zhì)量。盡管目前我們?cè)诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)技術(shù)研究上確實(shí)還存在很多問題，但是筆者相信經(jīng)過不斷努力研究，未來(lái)會(huì)有更高的進(jìn)步空間。