整體葉盤高效加工技術與刀具應用分析

陳樹巍

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

1998年以來，我國進入了航空大發展時期。近幾年隨著各種新型號軍、民機先后升空，我國對自主先進大推力航空發動機的需求與日俱增。發動機是飛機的心臟，被譽為工業皇冠上的明珠。其制造能力直接標志著國家的頂尖制造水平，現美國和英國牢牢掌控大推力先進航空發動機的關鍵技術，在行業中呈壟斷形式。自2005年“太行”定型后，我國對新型發動機研制及量產有了新的需求，其中，整體葉盤制造更是核心瓶頸技術攻關之一。隨著近幾年的外來技術引進及國內的制造水平提升，發動機整體葉盤制造技術被攻克，但加工效率低下，遠遠達不到量產需求，工藝技術及刀具需進一步研發。刀具是機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、加工精準度，降低生產成本。

1 整體葉盤材料特性及整體葉盤盤銑加工技術分析

1.1 整體葉盤材料特性

整體葉盤是航空發動機的組成之一，整體葉盤的存在能提高發動機性能、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，有好的比強及熱強度，具有良好的抗腐蝕和抗疲勞性能，同時該材料同時具備α、β雙向組織，能進行熱處理強化，最大化地提高飛機的使用壽命，降低飛機后期成本。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，加工中易產生變形；摩擦系數大，刀具易磨損；熱導率低，加工時熱量不能有效傳遞，刀具溫度較高，處理不當很容易造成粘刀，加快刀具磨損；化學活性高，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點，但鑒于加工難，經常容易出現制造問題，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。

1.2 整體葉盤高效加工技術

整體葉盤加工技術有很多種，在使用鈦合金的基礎上對其進行切割的工藝很多，筆者列舉四種常見技術進行對比。

1.2.1 電火花加工技術

該技術的優點有穩定性好，適用范圍廣，葉片剛度高不會輕易變形。缺點有電極容易被損耗，加工后材料附著于變質層難以清理，加工效率有限。電火花加工技術在國內機械制造業主要用于閉式葉盤。

1.2.2 電解加工

該技術的優點有葉片剛度高，不會輕易變形，適用于很多精準度高的難加工材料，效率不錯。缺點是穩定性相對較差，生成的電解溶液容易污染環境，難處理。該技術在國內被應用于開式葉盤，整體應用次數不高。

1.2.3 電子束焊接、線性摩擦焊

這種技術主要面向空心葉片整體葉盤制造及整體葉盤修復。應用于普通整體葉盤時，可以有效降低毛坯成本及機加設備占用時間。但是，存在焊接精度不夠和變形的情況不能避免，往往需要自適應加工與之配套。現中國航空制造技術研究院已具有一定的工程經驗積累，但沒有大規模投入實際生產。

1.2.4 整體數控加工

該技術加工精度高，穩定性高，是目前葉盤加工技術中平均耗時最短、效率最高的技術，適用于批生產。常用的加工方案先使用插銑或者盤銑方式進行通道大量去除，后使用球刀進行精加工。缺點是前期對設備、配套軟件及工藝人員水平有著較高要求，穩定生產后，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選

高效加工中，刀具成本在總成本中僅占少數比例，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、穩定加工質量，增加整體加工效率，降低總成本，提高經濟效益。針對TC4的特性，刀具中的TiC含量應盡量少，從實踐上來看，應選用YG類的硬質合金刀具。隨著PCD及PCBN的成熟發展，兩者在鈦合金加工領域均有較好的表現，配合合理的涂層，可以更大地發揮刀具降本增效的作用。

2.2 刀具結構優化設計

針對不同結構的整體葉盤，需要選用與之對應的刀具。各廠商現有的刀具商品不能滿足加工質量、加工效率需求的時候，就需要針對實際情況優化刀具結構，定制刀具。為了讓優化的刀具能滿足整體葉盤的實際情況，需先建立仿真系統和參數模型，在仿真系統和模型中，人們能快速了解刀具載荷情況，分析易受損部位，通過測量參數確定實際刀具的選用尺寸、刀刃角度、數量、分布等，然后進行大量的切削試驗，以驗證數據的可靠性。除此之外，還要考慮葉盤的實際情況及編程的復雜程度及工藝性。比如，插銑刀的尺寸是否滿足路徑規劃，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，是否會干涉等。值得一提的是，刀具結構的優化設計不是朝夕間就能實現的，要通過反復建模、反復試驗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用

刀具涂層也是提升銑刀穩定性的手段之一，歐美國家在航空制造業起步價早，很早就開始研究刀具涂層在鈦合金材料切削的應用。學者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涂層進行切削試驗，在同等條件下，單層和多層的刀具表征不一。試驗結果表明，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，多涂層確實能提高刀具的耐性，多涂層的物質對刀具形成保護層，讓刀具有了對抗磨損的能力。隨著刀具涂層理論的深化，人們對涂層的內容有了新的看法，推出了軟涂層、硬涂層、梯度涂層等?，F在主流的鈦合金涂層有TiAlN、AlTiN、AlCrN等，企業可根據實際需要選擇合適的涂層保護刀具，這是一種養護措施，能降低磨損和維修成本。

3 結語

航空制造業彰顯一個國家的制造水平，體現國家技術研發和技術制造的工藝程度，與歐美國家相比我們起步較晚，很長一段時間內在核心技術上受制于人，為了增強我們的制造質量，改變現狀必須加強技術應用，提高技術應用的精準度。本文對發動機整體葉盤的高效加工技術和刀具應用進行了研究，從整體葉盤高效加工方案、刀具選材優化、結構優化、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，延長使用壽命，提高效率及加工質量。盡管目前我們在航空發動機制造業技術研究上確實還存在很多問題，但是筆者相信經過不斷努力研究，未來會有更高的進步空間。