陶瓷刀具在航空發動機高溫合金機匣加工中的應用

鄧文　郭明明　王昂　肖威紅　趙宇平

摘 要：航空發動機中高溫合金機匣多為薄壁零件，其毛坯狀態多為鍛件，余量大，且材料非常難加工。粗加工時，采用傳統硬質合金刀具進行車削，生產效率低下，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，選擇合適的刀具特征、冷卻方式、車削參數以及數控程序優化方案，成功將陶瓷刀具應用在某高溫合金機匣的粗加工過程中，加工質量穩定，效率提高，降低了加工成本。

關鍵詞：陶瓷刀具；高溫合金機匣；車削試驗；優化

1 陶瓷刀具的特點

隨著航空材料技術的發展，傳統硬質合金刀具已難以滿足新型航空發動機生產需要。陶瓷刀具以其優良的切削性能和高的性價比受到越來越多航空制造企業的青睞。[1]陶瓷刀具有許多獨特的優點，如高耐熱性，很高的強度和耐磨性，良好的高溫力學性能等，可以加工傳統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，刀尖強度越大。而選擇較厚的刀片進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

采用氮化硅陶瓷刀具對某型動力渦輪機匣（材料為GH4133）進行車削加工試驗。試驗設備：DL-32數控車床；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。由試驗結果（表1）可以看出，雖然切削參數并不高，且切削時間很短，但是在加工過程中陶瓷刀片的振刀很大，刀片損壞非常嚴重，經過分析是由于加工參數不合理、缺少冷卻供給，以及編程走刀路線簡易，造成斷續切削使刀片發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，因為刀尖處產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。其實陶瓷刀片是一種非常好的熱導體，刀尖處產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，使其排屑更為規律。對于鎳基高溫合金機匣，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 程序優化

陶瓷刀具加工零件，程序優化是一個非常重要的環節。從切削試驗中，我們可以看到直接切削會迅速地出現溝狀磨損。該磨損溝處會產生應力集中而導致整個刀片失效。采用倒角或者圓弧進刀，可以有效消除車削時毛刺產生的卷曲和變形，使刀具沿零件邊緣連續走刀，這就使切削點處的材料處于塑性變形狀態，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產生微裂紋，擴展后導致碎裂。[2]

6 車削參數的優化

陶瓷刀具切削鎳基高溫合金往往采用大切深，產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導致陶瓷刀具承受的切屑負載過大，刀具就易損壞。經過對比分析在高溫合金零件連續切削中，2.5mm的切深是比較理想的。進給和車削速度是根據陶瓷刀片承受高溫的能力和決定剪切區溫度的鐵屑厚度決定的，控制剪切區溫度可減小切削力，降低磨損程度。如果切削速度降低時進給沒有同時減小，由于鐵屑溫度降低，硬度高，同樣會算壞刀刃。所以切速和進給必須同比列改變。

通過對程序和參數進行優化，同時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 陶瓷刀具應用效果

以某航空發動機動力渦輪機匣為例，其最終壁厚為2mm，為典型的薄壁零件，機加余量為毛坯的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

[1]崔晶，師俊東，周洪友，等.陶瓷刀具在航空發動機難加工材料中的應用[J].航空制造技術，2009（23）：43-45.

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