陶瓷刀具在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金機(jī)匣加工中的應(yīng)用

鄧文　郭明明　王昂　肖威紅　趙宇平

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金機(jī)匣多為薄壁零件，其毛坯狀態(tài)多為鍛件，余量大，且材料非常難加工。粗加工時(shí)，采用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行車削，生產(chǎn)效率低下，并且刀具消耗量很大，加工成本十分昂貴。文章通過陶瓷刀具的車削試驗(yàn)，選擇合適的刀具特征、冷卻方式、車削參數(shù)以及數(shù)控程序優(yōu)化方案，成功將陶瓷刀具應(yīng)用在某高溫合金機(jī)匣的粗加工過程中，加工質(zhì)量穩(wěn)定，效率提高，降低了加工成本。

關(guān)鍵詞：陶瓷刀具；高溫合金機(jī)匣；車削試驗(yàn)；優(yōu)化

1 陶瓷刀具的特點(diǎn)

隨著航空材料技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具已難以滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)需要。陶瓷刀具以其優(yōu)良的切削性能和高的性價(jià)比受到越來越多航空制造企業(yè)的青睞。[1]陶瓷刀具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如高耐熱性，很高的強(qiáng)度和耐磨性，良好的高溫力學(xué)性能等，可以加工傳統(tǒng)刀具很難加工甚至不能加工的超硬材料。陶瓷刀具在1000°C的高溫下仍能切削，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性，而陶瓷刀片仍可保持良好的高溫紅硬性。

2 陶瓷刀具的選擇

目前市場上的陶瓷刀片主要有方形刀片、圓形刀片、三角形刀片和菱形刀片。陶瓷刀片強(qiáng)度從高到低分別是：圓形、90°正方形、80°菱形、60°三角形、55°和35°菱形。對于圓形刀片半徑越大，刀尖強(qiáng)度越大。而選擇較厚的刀片進(jìn)行加工可以顯著地提高抗沖擊性和散熱性，延長刀具壽命。

3 車削試驗(yàn)

采用氮化硅陶瓷刀具對某型動(dòng)力渦輪機(jī)匣（材料為GH4133）進(jìn)行車削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備：DL-32數(shù)控車床；車刀刀柄：32mm×

32mm；刀片：d=12.7，α=0°Z=4，圓刀片；冷卻方式：干切削。由試驗(yàn)結(jié)果（表1）可以看出，雖然切削參數(shù)并不高，且切削時(shí)間很短，但是在加工過程中陶瓷刀片的振刀很大，刀片損壞非常嚴(yán)重，經(jīng)過分析是由于加工參數(shù)不合理、缺少冷卻供給，以及編程走刀路線簡易，造成斷續(xù)切削使刀片發(fā)生崩刃和大面積剝落。

4 冷卻液的選擇

目前大多陶瓷刀片高速切削都采用干切，因?yàn)榈都馓幃a(chǎn)生的熱能夠軟化基體，是有利于切削的，但是卻大大降低了刀片的使用壽命。其實(shí)陶瓷刀片是一種非常好的熱導(dǎo)體，刀尖處產(chǎn)生的熱量很快傳到刀片，冷卻液可使刀片保持較低的溫度，在鐵屑成型后降低其溫度，使其排屑更為規(guī)律。對于鎳基高溫合金機(jī)匣，銑削過程最好選擇干切削，而車削過程，最好能選擇高壓噴射并且加大冷卻液澆注量。冷卻液必須澆在切削面上，不要被壓板、緊固螺釘或其他物體阻礙。

5 程序優(yōu)化

陶瓷刀具加工零件，程序優(yōu)化是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。從切削試驗(yàn)中，我們可以看到直接切削會(huì)迅速地出現(xiàn)溝狀磨損。該磨損溝處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致整個(gè)刀片失效。采用倒角或者圓弧進(jìn)刀，可以有效消除車削時(shí)毛刺產(chǎn)生的卷曲和變形，使刀具沿零件邊緣連續(xù)走刀，這就使切削點(diǎn)處的材料處于塑性變形狀態(tài)，有利于陶瓷刀片的切削。另外，切削到拐角處，要圓滑走刀，防止陶瓷刀具的晶界因振動(dòng)產(chǎn)生微裂紋，擴(kuò)展后導(dǎo)致碎裂。[2]

6 車削參數(shù)的優(yōu)化

陶瓷刀具切削鎳基高溫合金往往采用大切深，產(chǎn)生大的切削熱軟化被加工材料，以改善切削加工性。但是過大的切深卻會(huì)導(dǎo)致陶瓷刀具承受的切屑負(fù)載過大，刀具就易損壞。經(jīng)過對比分析在高溫合金零件連續(xù)切削中，2.5mm的切深是比較理想的。進(jìn)給和車削速度是根據(jù)陶瓷刀片承受高溫的能力和決定剪切區(qū)溫度的鐵屑厚度決定的，控制剪切區(qū)溫度可減小切削力，降低磨損程度。如果切削速度降低時(shí)進(jìn)給沒有同時(shí)減小，由于鐵屑溫度降低，硬度高，同樣會(huì)算壞刀刃。所以切速和進(jìn)給必須同比列改變。

通過對程序和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)把切削液由干切改為濕切，刀具磨損情況得到有效控制，壽命提高。圖1為陶瓷刀片走完4刀后的磨損情況，為一般的溝槽磨損。

7 陶瓷刀具應(yīng)用效果

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪機(jī)匣為例，其最終壁厚為2mm，為典型的薄壁零件，機(jī)加余量為毛坯的85%以上。在利用陶瓷刀具后，切削速度明顯提升，效率得到提高，成本也降低了。（表2）

參考文獻(xiàn)

[1]崔晶，師俊東，周洪友，等.陶瓷刀具在航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2009（23）：43-45.

[2]趙秀芬，劉陽，李冬梅，等.陶瓷刀具在轉(zhuǎn)包機(jī)匣鎳基高溫合金加工中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2010（5）：59-63.