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高效切削在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)上的應(yīng)用

時(shí)間:2011-05-26 08:09:26 來(lái)源:未知

一、引言

高速切削理論是二十世紀(jì)30年代由德國(guó)Carl Salomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。其理論簡(jiǎn)言之就是認(rèn)為切削熱只是在傳統(tǒng)切削速度范圍內(nèi)是與切削速度成單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)切削速度突破一定限度以后，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會(huì)隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內(nèi)成單調(diào)減函數(shù)。該理論經(jīng)過(guò)幾十年的研究與應(yīng)用，已逐漸成為現(xiàn)代高效切削加工的趨勢(shì)和發(fā)展方向。80年代末和90年代初開(kāi)始應(yīng)用并快速發(fā)展到廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、模具制造業(yè)加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級(jí)合金及碳纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。
在金屬切削過(guò)程中，選擇很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法。這種切削方案實(shí)際存在著許多問(wèn)題，其中最大的問(wèn)題是：主要目的是用于提高生產(chǎn)效率的高速切削，實(shí)際上并沒(méi)有提高生產(chǎn)效率。它要求機(jī)床在高轉(zhuǎn)速下切削，但為提高機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速來(lái)提高切削速度，往往是以降低進(jìn)給量﹑減小切削深度為代價(jià)的。所以切除率很低，生產(chǎn)效率不高。當(dāng)然，這時(shí)機(jī)床的主軸功率可以很小。這一點(diǎn)對(duì)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(要求零件不變形，因而切削中產(chǎn)生的切削力要小等一系列極其苛刻條件下的加工)，確是非常有利的。
真正意義上的高效加工應(yīng)該是切削加工中加工零件的質(zhì)量與生產(chǎn)效率的共同提高。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件材料很大一部分是Ni基高溫合金，屬于難加工材料中很難加工的材料，且大部分零件的加工為車(chē)削加工，其相對(duì)切削性能小于0.2(正火狀態(tài)45#鋼的相對(duì)加工性能為1)。其難加工的主要特點(diǎn)為：
  1. 切削力大。高溫合金的切削力為中碳鋼的兩倍以上。
  2. 切削溫度高。切削高溫合金時(shí)，由于變形抗力大，刀面與切屑和工件間的摩擦劇烈，單位切削功率大，消耗的功率多。
  3. 刀具磨損劇烈。其原因仍然是切削溫度高，材料硬度高，粘結(jié)磨損嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤和棱刺。
由于以上的諸多原因，目前國(guó)內(nèi)加工高溫合金的現(xiàn)狀是切削速度低，普遍在35m/min左右，進(jìn)給量低，為0.05-0.2mm/r，造成切削加工效率極低，且刀具磨損仍然嚴(yán)重。
如何提高加工效率，將高效切削引入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的加工中，是很多人長(zhǎng)時(shí)間來(lái)一直在探討和研究的問(wèn)題。

三、高溫合金高效切削的研究

刀具結(jié)構(gòu)及材料的選擇在高溫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、紅硬性、耐磨性；選擇純W-Go合金，如株洲鉆石切削刀具股份有限公司的YD101(YT類(lèi)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度及導(dǎo)熱性較純W-Go合金差，同時(shí)為了避免硬質(zhì)合金材料中Ti與高溫合金材料中Ti相互擴(kuò)散)，YBG102涂層厚度很薄，僅0.002～0.004mm，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，適合高溫合金材料的高效率加工。
另外，由切削實(shí)驗(yàn)可以看到，用同一種槽型的刀片加工鎳基高溫合金比加工45﹟鋼的切削力要大得多。同時(shí)，我們還可以看到，加工鎳基高溫合金時(shí)，采用不同的刀片槽型可以獲得不同的切削力。

DNEG150608-NF /YBG102
刀片槽型在整個(gè)切削過(guò)程中極為重要，涉及到斷屑、導(dǎo)屑、排屑的順暢，還涉及到有效克服加工硬化，盡可能減小切削阻力，以及有意識(shí)地控制各類(lèi)磨損的擴(kuò)大，延長(zhǎng)刀具壽命，提高工件表面質(zhì)量，和提高切削速度等。因此，要求加工高溫合金的刀片槽型具有堅(jiān)固而鋒利的刀片刀尖、光滑的前刀面，在精加工產(chǎn)品中還須有合理的刃傾角；還需選擇合理的機(jī)體材質(zhì)與涂層，還有合理的表面處理與刃口處理。
配套設(shè)施應(yīng)選擇功率大、剛性好的機(jī)床，使用冷卻效果好的切削液，推薦選用極壓切削液，不含硫。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
在金屬切削過(guò)程中，選擇很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法。尤其的高溫合金的切削時(shí)，過(guò)于靠提高切削速度，來(lái)提高加工效率，顯然是不現(xiàn)實(shí)的，它既會(huì)大大增加刀具消耗成本，同時(shí)甚至根本無(wú)法完成加工程序。此時(shí)不要忽視在中等切削速度下加大進(jìn)給量的加工方案，這是由大量切削實(shí)踐得出的結(jié)論。
高溫合金在很寬的切削速度范圍均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增高，直至形成分離的單元切屑。

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
由于高速切削時(shí)切屑狀態(tài)的單元化，難加工材料Ni基高溫合金的加工完全有可能在現(xiàn)有切削速度下實(shí)現(xiàn)高速化。難加工材料的切削條件歷來(lái)都設(shè)定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機(jī)床的出現(xiàn)，以及高速切削方式的引進(jìn)等，目前，難加工材料的切削已進(jìn)入高速加工、刀具長(zhǎng)壽命化的時(shí)期。現(xiàn)在，采用小切深以減輕刀具切削刃負(fù)荷，從而可提高切削速度和進(jìn)給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當(dāng)然，選擇適應(yīng)難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應(yīng)力求刀具切削軌跡的最佳化。
在進(jìn)一步的切削實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在同一切削速度(v=80m/min)不同進(jìn)給量下的切屑狀況：

f=0.15mm/r
f=0.25mm/r
f=0.4mm/r
可見(jiàn)，在同一切削速度下，隨著進(jìn)給量的增大，切屑形成分離的單元切屑的趨勢(shì)越明顯。
那么，在何種切削速度下，切削加工能達(dá)到最佳效率，且刀具的成本能降到最低？我們?cè)倏丛诓煌邢魉俣认碌牡毒吣p狀況：
實(shí)驗(yàn)材料：國(guó)產(chǎn)高合4133，切削性能更低于進(jìn)口材料incon718。
    80m/min切削速度下加工時(shí)間6min,刀片前后刀面的磨損狀態(tài)    120m/min切削速度下加工時(shí)間1′25″，刀片前后刀面的磨損狀態(tài)
由大量的切削實(shí)驗(yàn)得知，在高溫合金的車(chē)削加工中，當(dāng)切削速度達(dá)到80-100m/min時(shí)，YBG102涂層刀片的性能完全能滿足加工要求，并使刀具壽命及工件狀態(tài)達(dá)到最佳。當(dāng)切削速度大于120m/min時(shí)，由于刀具磨損過(guò)快，已經(jīng)失去了加工的意義。
要提高生產(chǎn)效率，就必須提高切除率。由切削原理可知，金屬切削中的切除率與切削速度﹑進(jìn)給量和切削深度有著密切的關(guān)系。
切除率 V=1000*ap*fn*v (mm#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#3/min)
可見(jiàn)切除率與切削速度﹑進(jìn)給量和切削深度存在著簡(jiǎn)單的線性遞增關(guān)系，但簡(jiǎn)單的追求高的切除率，在實(shí)際加工應(yīng)用中是不成立的，因?yàn)樵谀壳暗牡毒邨l件下，是不能采用過(guò)高的切削速度﹑進(jìn)給量和切削深度的。因此，實(shí)際意義上的高效加工必須是高的切除率和高的切除量的最佳結(jié)合。
切除量 Q=1000*ap*fn*v*T (mm3)
=V*T (mm3)
T—加工時(shí)間，即刀具壽命。
實(shí)驗(yàn)表明切除率與切除量之間，存在如下的涵數(shù)關(guān)系：
大量的切削實(shí)驗(yàn)表明，國(guó)產(chǎn)YBG102在高溫合金的的車(chē)削加工時(shí)，最大切除量為40000-45000mm3/刃,由此可以根據(jù)實(shí)際加工的需要，依照以上關(guān)系，合理安排切削速度﹑進(jìn)給量和切削深度。其中進(jìn)給量取值在0.1-0.4mm/r，切削速度可達(dá)80-100m/min。

四、結(jié)論

  1. 高溫合金的加工完全可以實(shí)現(xiàn)高速切削，但由于高溫合金特殊的加工性能，當(dāng)車(chē)削速度達(dá)到>120m/min 時(shí)，就失去了加工的實(shí)際意義。
  2. 2、高溫合金的高效加工必須是高的切除率和高的切除量的最佳結(jié)合。