大型鎳基高溫合金Waspaloy燃燒室機匣銑加工技術研究

摘 要：本文針對GE燃燒室機匣零件9977014-067P01的加工研制過程進行了分析和闡述，該零件材料為鎳基高溫合金Waspaloy，內外型面遍布凸臺，是比較難加工的大型機匣類零件。本文詳細介紹了該類零件的結構特點、數控程序編制、刀具選擇、刀軌優化等的具體實施過程。

關鍵詞：燃燒室機匣；Waspaloy；帶角度銑頭的銑加工

零件9977014-067P01是GEAE公司GE90發動機燃燒室機匣，材料為鎳基高溫合金Waspaloy，固溶時效狀態，內外型面遍布凸臺和矩形槽，毛坯為環形鍛件，內型面全部為黑皮狀態，內外型面均有單邊12mm厚的余量需要機加去除。其中需銑加工去除的材料約占所有余量的60%，攻克該機匣銑加工技術成為該件研究的重點。

1 Waspaloy的材料特性介紹

Waspaloy合金是美國20世紀50年代發展起來的沉淀硬化型鎳基高溫合金，在我國與其相應的合金牌號是GH864或GH738。該合金在760℃以下具有高的拉伸和持久強度，在870 ℃以下具有良好的抗氧化性能，其最大的優點是良好的強韌化匹配，即在高強度的條件下又具有足夠的韌性，已經成功地應用到航空、石油和化工裝備上，是一種比Inconel718（國產牌號為GH4169）更難加工的合金材料。

鎳基高溫合金切削加工的主要問題表現在以下幾個方面：a.塑性變形很大。由于合金中有大量奧氏體組織存在，導致塑性變形大，切削變形系數大；b.切削力較大。鎳基高溫合金其單位切削力一般為加工鋼材的1～3 倍；c.切削溫度高。在相同條件下，切削溫度約為45#鋼的1.5～2倍；d.刀具易磨損。由于鎳基高溫合金的材料性質，導致加工時刀具機械磨損、粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損均比較嚴重，刀具壽命極低；e.加工硬化現象嚴重。鎳基高溫合金加工時其加工表面硬化程度可達基體硬度的2～5 倍。

2 零件的工藝性分析

2.1 零件結構特點

零件規格為：φ1105.916mm×φ1051.56mm×H503.3mm，上下部壁厚僅為5.27mm和5.52mm。外型面由直線段、樣條線連接組成，內外型面遍布18個凸臺，中部存在60個矩形槽和30個φ47mm的徑向孔。零件大端安裝邊公差精度±0.05mm，表面粗糙度3.2μm。因為內型面2/3的區域都存在凸臺，所以內型面帶角度銑頭的銑加工是無法回避的問題，由于內型凸臺形狀復雜且無法在機床上直接測量，只能編制刀尖跟蹤程序來滿足內型面的加工要求。

2.2 零件銑加工工藝分析

零件需要進行大量的銑削加工，新件研制初期，零件外型面粗銑全部采用φ40R6的仿形銑刀進行銑削，刀具成本高，加工效率低；內型面的銑削加工更是加工難點，由于黎明公司還從未進行過如此大量的帶角度頭內型面銑削加工，所以沒有任何技術資料可供參考，必須摸索加工；另外零件凸臺形狀十分復雜，且部分凸臺的轉接圓角位置屬于不完整圓角，所以在程序編制方面又是個挑戰。

3 零件銑加工的主要問題及解決方法

3.1 快進給銑刀的應用

零件大量的銑削加工，導致加工周期過長，而Waspaloy材料極差的切削性能，也造成了刀具成本的急劇增加。

快進給粗銑刀具（飛碟銑刀）是近年來各刀具廠商競相開發的新型刀具，材質為硬質合金，該刀具具有陶瓷刀具的高進給和硬質合金刀片低廉的價格，是未來粗銑加工的發展方向。陶瓷銑刀因為無法澆注冷卻液，所以絕大部分熱量需要通過切屑帶走，且Waspaloy材料的熱傳導率較低，切削熱排出困難，應用陶瓷刀具時，零件加工部位積累大量切削熱，會產生嚴重的熱變形和切削應力，甚至因為過熱導致加工部位變色，影響材料組織性能。

3.1.1 按照正常編程方法進行實驗

通過實驗發現，在深度方向切削第一、第二層的時候，刀具切削的十分輕快，磨損不大，但是當切到第三層以后，刀具在進刀時會產生很大的噪音，并且刀具R最大外徑處崩刃，通過對刀片形狀和相關資料的研究，發現該類刀具對切深的要求非常嚴格，正常切入到第三層以后，進刀處就會在凸臺邊形成直壁，其實際切深超出允許的最大切深從而導致崩刃，實驗失敗。

3.1.2 改變程序切削方式后進行實驗

程序進行如下修改：a.程序使用順銑切削方式，沿切線切入零件；b.刀具向切削前進方向傾斜0.01度；c.將可能形成側邊直壁的地方，每層之間偏移一個編程半徑的距離。

通過實驗發現，效果十分明顯，刀刃全部為正常磨損，再無打刀情況出現。

3.1.3實驗結果

通過上述實驗證明，五齒快進給銑刀每齒進給可以達到Fz=0.5-0.7mm，所以在線速度V≈25-30m/min的情況下，可以達到最高約為500mm/min的進給速度，金屬去除率為37.8cm3/min，而同為硬質合金的仿形銑刀，在線速度相同的情況下，進給僅能達到216 mm/min，金屬去除率為8.64cm3/min。

3.2 內型帶角度銑頭的刀尖跟蹤程序編制

為了滿足該零件內型面銑削加工的需要，工廠專門為PAMA機床購置了Albert T90-5型角度銑頭。但是如何在機床上實現刀尖跟蹤點的偏置和如何在UG中編制相應的刀尖跟蹤程序成了尚待解決的問題。

通過查閱西門子840D系統的相關資料，發現在PAMA機床的西門子840D控制系統里面可以對機床附件（也就是本文所說的角度銑頭）進行設置，將上圖中的A、B、C（刀長）的數值輸入到機床中Length 1 - Base、Length 2 - Base、Length 2 - Geometry三處位置，這樣機床的刀尖跟蹤點就偏置到上圖所示的刀尖位置。

4 結束語

通過此次Waspaloy燃燒室機匣零件的銑加工技術研究，使我們掌握了快進給銑刀及采用帶角度銑頭的刀尖跟蹤程序銑加工內型面等加工技術，同時積累了大量加工經驗。該技術標志著對Waspaloy材料燃燒室機匣類零件的銑加工技術達到世界先進水平。

參考文獻

[1]伊斯卡旋轉刀具手冊.伊斯卡公司

[2]UG NX4 高級銑應用技術.清華大學出版社