航空發動機難加工材料的車削解決方案

■瓦爾特公司供稿

航空發動機難加工材料的車削解決方案

■瓦爾特公司供稿

ISO-S難加工材料組中的兩個子類鈦合金和高溫合金在航空發動機零部件中應用廣泛，如軸、整體葉盤、機匣等復雜零部件。這類材料的切削性能極差，容易粘結，加工中易生成積屑瘤；導熱性非常差，切削中生成的熱量大部分都無法傳導給切屑帶走，切削區溫度非常高，造成刀具磨損嚴重。

在實際應用中，通常采用低切削參數來減緩刀具磨損和確保零件質量，導致產品的加工效率受到限制，并且生產成本居高不下。作為金屬切削刀具行業的領先企業，瓦爾特緊密關注航空發動機難加工材料的發展，致力于開發創新的刀具產品和解決方案，提高難加工材料的切削加工效率、降低產品生產周期和生產成本。

鈦合金和高溫合金常常使用相同類型的刀片進行加工。但在ISO-M材料（不銹鋼和耐腐蝕鋼）的切削中已經得到了驗證：所用的刀具材料和槽形需要有所區別才能更高效。為獲得最佳的切削性能和最高的刀具壽命，有必要為鈦合金和高溫合金分加別制定加工方案。對于鋼和鑄鐵加工，通用的可轉位刀片可能是最經濟的方法，但是在ISO-S材料范圍內，專門的解決方案往往能獲得更好的加工效果。

鈦合金切削時容易產生由擴散引起的月牙洼磨損。刀片材料中的碳粒子流入切屑，刀片受到侵蝕，切削區域會逐漸減弱。工件堅硬的鍛造表皮，材料的高強度增大了崩刃和塑性變形的風險。材料的彈性模量低，增大了振動的傾向。切削刃一但有積屑瘤形成，刀片很快就會崩刃。而且這些失效現象會隨著材料合金晶相中的β相的百分比增大而增強。Ti6Al4V是廣泛使用的材料，它同時含有α相和β相組織，是非常難加工的材料。而新材料Ti-5553是一種高純β相合金，它更加難切削，切削速度只有Ti6Al4V的一半。但是，由于鈦合金優異的比強度優勢，逐漸成為飛機起落架和結構零件的理想材料。

圖1

為此，瓦爾特專門設計了Sky·tec?系列三種車削刀片槽形NFT、NMT和NRT（見圖1）。Sky·tec?鈦合金系列刀片具有專用的、窄的斷屑槽，這是為了獲得良好的車削加工斷屑效果所采取的改進，優化切屑的形狀，即使是在刀片磨損的狀態下。NRT粗加工槽形的具有特別穩定的斷屑槽結構，倒棱較寬，可承受大切深和大進給車削，并有效控制月牙洼磨損。半精加工NMT槽形穩定性好，曲線的切削刃，用以減小切削力，降低切削溫度，同時更易形成短切屑。NFT精加工槽形優化的鋒利切削刃，加工更輕快，刃口周邊全磨削，保證

加工的高精度。從外觀上看，這一系列的刀片都沒有采用涂層設計，因為瓦爾特選擇了抗月牙洼磨損效果最好的刀片基體材料，而涂層則不會帶來明顯的幫助，反而會影響到刃口的鋒利性，帶來切削力和切削溫度增加的不利結果。

一個鈦合金機匣粗車的案例，材料為Ti6Al4V，過去采用與切削ISO-M材料通用的槽形，現在嘗試采用Sky·tec?系列解決方案來提升加工壽命。使用相同的切削參數（vc=55m/min，f= 0.4mm/r，ap=2.3mm），使用粗加工NRT槽形和WS10材質刀片，幫助制造商達成了優化目標，同時在加工過程中形成一致的短切屑，確保了加工過程穩定可靠。

對于高溫合金零件車削，切削刃的塑性變形、積屑瘤和溝槽磨損是刀片失效的主工原因。在高溫合金切削過程中，切屑常常沖擊可轉位刀片的后刀面，形成很大的沖擊力，刀片面臨著崩刃的風險，同時材料加工硬化會讓刀片形成溝槽磨損。風險疊加，一方面要求刀片有相對穩定的切削刃，另一方面，更加重要的是要求刀片有較為鋒利的槽形。這就向研發人員提出了調和這兩種的要求的挑戰。

瓦爾特研制了專門用于高溫合金材料車削的NMS和NRS槽形（見圖2）。與鈦合金系列的窄斷屑槽相反，NRS和NMS槽形需要有較大的切屑變形空間，如果高溫合金的切屑變形太過劇烈而產生加工硬化，則刀片會迅速損壞。NRS槽形具有較寬的斷屑槽，可以保持較深的切削深度，適合于粗加工，而NMS槽形的斷屑槽稍窄，適合用于較小切深的半精加工和精加工。為了確保獲得鋒利的切削刃，NMS和NRS槽型都采用了大前角設計和極小的刃口鈍化處理。與鈦合金Sky· tec?系列采用無涂層設計不同的是，NMS和NRS槽型的刀片都結合了PVD Al2O3涂層，因為對于高溫合金，具有高硬度、高熱穩定性和化學性能的先進涂層技術可以顯著提高刀具壽命。瓦爾特為這兩種槽形提供了 WSM10和WSM20兩種PVD Al2O3涂層的刀片材質，PVD涂層溫度低，刀片韌性好，刃口更鋒利，Al2O3涂層起到了高效的絕熱體的作用。

圖2

一個車削Inconel 625高溫合金的案例，在加工過程中，客戶將瓦爾特的NMS WSM10材料與其它切削刀具供應商推薦的ISO-M和ISO-S材料通用的可轉位刀片作了比較。測試中，切削參數保持不變（vc=50m/min，f=0.2mm/r，ap=3mm）。在僅僅18min后，由于切削刃上的溝槽磨損和崩刃，而刀片失效。而由瓦爾特的NMS槽形的刀具直到33min后，還沒有任何溝槽磨損。就加工件數量來說，瓦爾特以11對6，取得了勝利。

同樣的設計理念，瓦爾特也應用到了車槽刀片的設計上，專門開發了針對高溫合金材料仿形車削用的圓頭槽刀片槽型RF8系列（見圖3）。該槽型采用全刃口磨削處理的方式，保證了刀片的鋒利性和精度，實現最小的切削力，在加工薄壁零件時可以防止加工變形，保證產品精度。瓦爾特為RF8槽型量身定制了WSM13S和WSM23S兩種PVD Al2O3涂層的刀片材質，得益于最佳基體與涂層的結合，使得刀片具有最出色的壽命。

圖3　RF8-高溫合金圓頭槽刀片

同樣來自發動機客戶的應用案例，R E N E41材料的支撐環，有一段長度90m m、厚度1.9m m±0.1的圓錐面需要精車，原用刀片在加工一半時已嚴重磨損，只能停車轉位，這樣尺寸很難控制，并且有明顯的接刀痕，采用瓦爾特R F8 WSM13S的刀片后，切削參數不變（vc=20m/min，f= 0.12mm/r，ap=0.15mm），用一個刃口即完成了該圓錐面的精加工，尺寸穩穩地保持在公差內，沒有接刀痕，不需停車，保證了生產的連續性。

收稿日期：（20150722）