陶瓷刀片高效加工技術在航空盤類零件應用

萬秀屏 譚 薇 趙鵬飛 冷維杰 史繼偉

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

九級輪盤是某航空發動機的關重部件，在高溫、高壓、高轉速的惡劣環境條件下工作；選用材料均為GH4169，在切削加工時，切削負荷重，切削溫度高，加工硬化現象嚴重，切削加工性能低。本文主要針對零件粗車加工、半精車加工不同過程，開展陶瓷刀具的高效加工應用研究，著力解決制約生產過程的關鍵問題，推動航空盤類零件制造技術水平的提升。

1 研究目標

依據選定的典型零件，針對零件各自的特點開展研究。

九級輪盤受模鍛造技術限制，毛料尺寸較大，且零件存在一處深70mm，寬35mm的深腔結構（圖1所示），傳統的加工工藝是采用普通車床進行加工，用焊接車刀進行粗開槽及半精加工，不僅加工時間長、效率低，而且刀具消耗也很大，且深腔部位加工質量不穩定，經常造成加工不到位、表面光度差等問題，零件返修率據高不下。陶瓷刀具應用研究以提高粗車、半精車加工質量及效率為主。

圖1 九級輪盤余量分布圖

圖2 九級輪盤選用陶瓷刀具方案

采用陶瓷刀具在數控車床上加工盤類零件，可以提高加工自動化程度，減少人為因素的影響，提高加工效率和質量，有效地縮短生產周期。提高盤類零件的加工技術水平，縮小與世界先進國家的差距，增強企業的市場競爭能力具有重要的現實意義。

圖3 工步1車外型面走刀路線示意圖

圖4 工步2車內孔走刀路線示意圖

圖5 工步3車斜面走刀路線示意圖

圖6 工步4車輻板走刀路線示意圖

通過在九級輪盤零件上應用陶瓷刀具，進行數控高效加工的加工方案的實施，提高零件加工質量與效率，達到減少單臺加工時間7小時以上的目標。

2 刀具方案

典型零件為鎳基高溫合金GH4169材料。在切削加工時，切削負荷重，單位切削力可比中碳鋼高50%；切削溫度高，在相同的切削條件下，切削溫度約為45鋼的1.5-2倍；刀具磨損劇烈，刀具壽命明顯下降，在高切削溫度（750-1000℃）下，刀具產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損；加工硬化現象嚴重，已加工表面的硬化程度可達200%-500%。因此高溫合金的可切削加工性能低，車加工比較困難。

陶瓷刀片與硬質合金刀片相比，可承受2000℃的高溫,更具有高溫化學穩定性，可高速切削，但其缺點是陶瓷刀片的強度和軔性很低，容易破碎。陶瓷刀片耐高溫，對高溫高速切削更有利，由于陶瓷熱導率低，高溫只在刀尖，高速切削所產生的熱量都隨屑帶走。采用陶瓷刀具進行加工，零件高速旋轉，零件切削處材料紅熱、軟化，刀具去除材料效率較高，因此，經過項目團隊認真分析，決定采用陶瓷材料刀具進行加工。

由于九級輪盤零件結構屬半封閉型強，標準刀桿不能滿足加工需求，為此選定肯納和綠葉兩家陶瓷刀具供應商，先期對零件進行刀具切削試驗，通過試驗對比，綠葉廠商的陶瓷刀具在切削性能、刀具耐用度、加工參數等方面具有綜合優勢，最終選定該廠家作為工藝攻關的刀具供應商，為零件進行切削方案的制定，設計非標刀具。（圖2所示）

3 工藝試驗研究過程

3.1 數控程序編制

九級輪盤深腔軸向寬35mm，徑向最深處近70mm，敞開性較差，需多把刀具轉接加工才能完成，在編制程序中，根據結構尺寸，對比刀具的結構，用計算機造型，采用刀心與輪廓編程相結合的方法，按理論型面編制程序。（圖3-6所示）

3.2 計算機輔助仿真驗證

由于零件可見性差，并且零件切削速度較高，為了保證加工安全性，驗證數控程序走刀軌跡的正確行，檢查零件與刀具的干涉情況，加工前在計算機上使用仿真軟件，進行輔助加工仿真驗證，降低加工風險。

3.3 加工試驗研究

3.3.1 零件加工參數選擇

根據每種零件的加工刀具及零件結構特點，給定不同的加工參數進行加工。

九級輪盤去除材料較多，刀具的尺寸較大，切削狀態基本一致，在加工前使用試驗件進行試驗，初始切削參數設定如下：主軸轉速100r/min，進給量0.2mm/r，切削深度0.3mm，通過現場實際摸索，選擇較為理想的加工參數，最終確定九級輪盤切削參數固化為轉速120r/min，切削深度0.8mm，進給 0.2mm/r。

3.3.2 零件加工試驗

九級輪盤首先選擇在試驗件上進行加工試驗，按照工步卡確定的加工步驟，依次進行，通過試件加工，一方面進一步校驗程序正確性，另一方面檢驗刀具的切削壽命以及干涉情況。試件加工結束后，對零件相關尺寸進行測量，加工質量滿足工藝規定要求，“讓刀”現象較輕，零件光度與傳統加工工藝相比較有了較大的改觀。將試驗件的加工結果用于真件的加工，加工的質量較為穩定，零件的變形量得到了控制，表面質量得到了提升，加工的效率大幅提高。

3.3.3 結果與分析

通過零件的試驗與研究，對陶瓷刀具的加工特性有了一定的了解，選用陶瓷刀具對該GH4169材料進行，刀具選擇較為適用，安排加工路線的正確、可行，切削參數的設定合理，對減小零件加工變形也有了一定的控制措施，零件加工質量得到了保證。

按照試驗、攻關的結果，陶瓷刀具在批產加工中進行了應用，加工效率明顯提高，九級輪盤單臺切削時間減少了近8小時，極大地緩解了數控立車的生產壓力，加快了零件的周轉速度。

通過跟蹤零件的加工，對加工過程不斷的完善，將數控程序進行整理、優化、存檔，編制了標準化操作說明書，用于指導操作者規范加工，零件的加工質量更加穩定。

結語

通過對九級輪盤典型盤類零件進行試驗研究，應用陶瓷刀具進行高效加工的研究，制定的工藝路線正確可行，選定的陶瓷刀具、加工參數合理，加工的效果較好，達到了預期制定的目標。

隨著數控設備的逐漸普及和加工能力的不斷提高，高性能陶瓷刀具在盤類零件的加工中應用會越來越廣泛，制造技術能夠得到進一步的提升，對全面完成公司不斷增加批產任務，發揮越來越重要的作用。

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