陶瓷刀片高效加工技术在航空盘类零件应用

  航空发动机高压压气机盘、涡轮盘等零件,属于发动机中高速旋转的关键部件,零件的结构、形状较为复杂,尺寸精度与技术条件要求较严,材料多为强度高、硬度高的切削性能较差的高温合金材料,加工过程中零件的余量较大,按传统工艺进行加工,效率较低,影响零件的周转与交付进度。选取陶瓷刀具,采用数控加工工艺进行零件的粗加工、半精车加工工作,能够达到提高零件加工效率与加工质量的目的。通过梳理盘类零件的工艺规程,筛选、确定以某型号发动机九级轮盘作为典型零件,开展陶瓷刀具高效加工研究、攻关,从而带动盘类零件整体制造技术的提升。该零件特点是,形状较为复杂,零件的加工精度较高,材料为镍基高温合金,在发动机盘类零件中具有代表性。通过采用高性能陶瓷刀具实施高效数控加工,对于批量生产的零件,能够大大减少加工时间并提高质量,解决制约生产的难题。本文主要阐述了应用数控车设备,选择适用的陶瓷刀具,进行数控加工程序的编制,以及切削加工参数的摸索、验证,成功实现九级轮盘零件采用陶瓷刀具高效数控加工的工艺过程。

  九级轮盘是某航空发动机的关重部件,在高温、高压、高转速的恶劣环境条件下工作;选用材料均为GH4169,在切削加工时,切削负荷重,切削温度高,加工硬化现象严重,切削加工性能低。本文主要针对零件粗车加工、半精车加工不同过程,开展陶瓷刀具的高效加工应用研究,着力解决制约生产过程的关键问题,推动航空盘类零件制造技术水平的提升。

  1、研究目标

  依据选定的典型零件,针对零件各自的特点开展研究。

  九级轮盘受模锻造技术限制,毛料尺寸较大,且零件存在一处深70mm,宽35mm的深腔结构(图1所示),传统的加工工艺是采用普通车床进行加工,用焊接车刀进行粗开槽及半精加工,不仅加工时间长、效率低,而且刀具消耗也很大,且深腔部位加工质量不稳定,经常造成加工不到位、表面光度差等问题,零件返修率据高不下。陶瓷刀具应用研究以提高粗车、半精车加工质量及效率为主。

  2、刀具方案

  典型零件为镍基高温合金GH4169材料。在切削加工时,切削负荷重,单位切削力可比中碳钢高50%;切削温度高,在相同的切削条件下,切削温度约为45钢的1.5-2倍;刀具磨损剧烈,刀具寿命明显下降,在高切削温度(750-1000℃)下,刀具产生严重的扩散磨损和氧化磨损;加工硬化现象严重,已加工表面的硬化程度可达200%-500%。因此高温合金的可切削加工性能低,车加工比较困难。

  陶瓷刀片与硬质合金刀片相比,可承受2000℃的高温,更具有高温化学稳定性,可高速切削,但其缺点是陶瓷刀片的强度和轫性很低,容易破碎。陶瓷刀片耐高温,对高温高速切削更有利,由于陶瓷热导率低,高温只在刀尖,高速切削所产生的热量都随屑带走。采用陶瓷刀具进行加工,零件高速旋转,零件切削处材料红热、软化,刀具去除材料效率较高,因此,经过项目团队认真分析,决定采用陶瓷材料刀具进行加工。

  3.2 计算机辅助仿真验证

  由于零件可见性差,并且零件切削速度较高,为了保证加工安全性,验证数控程序走刀轨迹的正确行,检查零件与刀具的干涉情况,加工前在计算机上使用仿真软件,进行辅助加工仿真验证,降低加工风险。

  3.3 加工试验研究

  3.3.1 零件加工参数选择

  3.3.2 零件加工试验

  九级轮盘首先选择在试验件上进行加工试验,按照工步卡确定的加工步骤,依次进行,通过试件加工,一方面进一步校验程序正确性,另一方面检验刀具的切削寿命以及干涉情况。试件加工结束后,对零件相关尺寸进行测量,加工质量满足工艺规定要求, “让刀”现象较轻,零件光度与传统加工工艺相比较有了较大的改观。将试验件的加工结果用于真件的加工,加工的质量较为稳定,零件的变形量得到了控制,表面质量得到了提升,加工的效率大幅提高。

  3.3.3结果与分析

  通过零件的试验与研究,对陶瓷刀具的加工特性有了一定的了解,选用陶瓷刀具对该GH4169材料进行,刀具选择较为适用,安排加工路线的正确、可行,切削参数的设定合理,对减小零件加工变形也有了一定的控制措施,零件加工质量得到了保证。

  按照试验、攻关的结果,陶瓷刀具在批产加工中进行了应用,加工效率明显提高,九级轮盘单台切削时间减少了近8小时,极大地缓解了数控立车的生产压力,加快了零件的周转速度。

  通过跟踪零件的加工,对加工过程不断的完善,将数控程序进行整理、优化、存档,编制了标准化操作说明书,用于指导操作者规范加工,零件的加工质量更加稳定。

  结语

  通过对九级轮盘典型盘类零件进行试验研究,应用陶瓷刀具进行高效加工的研究,制定的工艺路线正确可行,选定的陶瓷刀具、加工参数合理,加工的效果较好,达到了预期制定的目标。

  随着数控设备的逐渐普及和加工能力的不断提高,高性能陶瓷刀具在盘类零件的加工中应用会越来越广泛,制造技术能够得到进一步的提升,对全面完成公司不断增加批产任务,发挥越来越重要的作用。

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