航空發動機切削技術探索與實踐

■ 中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 （遼寧沈陽 110043） 楊金發 劉亞莉 朱麒元

高級工程師 楊金發

歐美發達國家的切削技術一直處于世界領先地位。大部分先進加工技術、加工設備和切削刀具皆出自歐美國家。先進的航空發動機（見圖1）對材料和制造技術要求極高。航空發動機難加工材料主要為鈦合金、高溫合金等，廣泛應用先進復合材料。在切削加工時切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴重及刀具磨損嚴重等。航空發動機材料切削對刀具的可靠性提出了嚴格的要求。

1. 航空發動機切削技術發展趨勢

大量優質高性能材料不斷應用，主要為鈦合金、高溫合金等。鈦合金性能特點：鈦合金具有比強度高、化學活性大、導熱系數低及彈性模量小等特點。鈦合金切削時，切削溫度高、切屑與前刀面接觸面積小、刀尖應力大、化學活性高及摩擦因數大，前刀面摩擦速度高，彈性模量低。高溫合金的性能特點：高溫合金具有優良的高溫強度和硬度，但也正因為如此，使得其非常難加工，是典型的難加工材料，切削時切削力大、切削溫度高、加工硬化傾向大、刀具磨損大、切屑難處理及切削變形大。

刀具的可靠性高低與刀具材料、結構、切削參數和加工對象等因素都有一定關系。高可靠性刀具技術是涉及刀具材料、表面涂層、刀具結構、刀具監測、刀柄和刀具安全技術等各項基礎技術的一項綜合技術。需要研發新的刀具技術來滿足不斷出現的新的復合材料的加工需求。隨著智能制造時代來臨，制造業也在原有的數字化、網絡化設計及制造的基礎上，開始打造智能制造體系，提升制造業的整體能力和水平，因此對切削技術也提出了更高要求，智能刀具技術將推動切削技術的不斷發展。

切削技術是航空發動機制造技術的標桿，智能機床是充分發揮人工智能的作用，借助傳感器、軟件和大數據，在機床穩定可靠的基礎上，實現機床對不同情況進行自主決策。智能機床靈活地選擇合適的加工參數，正確判斷切削參數和加工策略的合理性，預判刀具磨損方式和大致的刀具失效時機，適時向機床或系統下達相應指令，保持切削加工高質、高效平穩運行。

圖1 國外航空發動機

2.高性能刀具及智能化設備的發展

發達國家數控刀具（見圖2）制造技術在刀具鍍層技術、刀具材料、刀具結構設計、刀具系統和切削數據庫等方面，都取得了突出成就，使數控刀具提高到一個嶄新的水平。

涂層硬質合金：涂層硬質合金刀具被廣泛用于難加工材料的切削。涂層硬質合金是在硬質合金上沉積非常薄的耐磨材料，這一涂層改進了刀具的抗磨損能力，典型的涂層有TiC、TiN、Al2O3、TiCN和TiAlN。復合涂層能提供更長的刀具壽命，廣泛用于加工不同的工件材料。

陶瓷刀具能承受非常高的溫度，化學穩定性更好，比其他刀具材料有更高的抗磨損能力。陶瓷刀具的主要問題是強度低、熱性能不好及易破碎。使用陶瓷刀具時，機床必須有足夠的剛性，機床應能提供高的切削速度。陶瓷刀具切削時可以不用切削液，如果使用切削液，切削液應充足，陶瓷刀具抗熱振性不好，不適合斷續切削和低速切削。

國際上復合機床包括車銑復合、車磨復合和特種復合加工等，并出現多主軸、多刀塔的復合機床，加工效率大幅提高。

智能化提升了機床的功能，在數控系統上得到了較多體現。在智能化方面具有更強的功能：斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能及高精度加工零件智能化參數選用功能。

功能部件不斷向智能化、高速度、高精度和大功率方向發展，并取得成熟的應用。數字化、高精度、智能化、非接觸測量儀器和在線測量技術取得新的進展，通過計算機技術、通信技術將數控機床、數控刀具、數控測量系統和加工工件以及相應的信息集成融合在一起，構成數字化閉環切削加工系統，成為計算機集成制造系統的基本單元。

智能金屬切削技術所具有的無人干預加工、高效率制造和工藝整合能力有助于解決效率、成本和質量三者之間的關系，為金屬切削機床的制造和應用提供新的發展模式和發展方向。

圖2 數控刀具

3. 航空發動機難加工材料切削參數的選擇

在金屬切削中，切削參數控制著兩個變量，即金屬去除率和刀具壽命，因此，在保證零件加工質量的前提下，選用的參數應滿足高生產率和低加工成本的需求。

切削參數的選擇是否合適，對于切削加工的生產率，加工質量和加工成本都有重大影響。在切削參數的選擇和改變中需要把握住切削速度、進給量和切削深度三者之間的關系。

提高切削速度、增大進給量和切削深度，都能提高材料切除率，但是，這三個因素中，影響刀具壽命最大的是切削速度，其次是進給量，影響最小的是切削深度，因此在選擇粗加工切削參數時，優先考慮采用大的切削深度，其次是大的進給量，然后根據刀具壽命的要求選擇合適的切削速度。對于切削參數的調整，更要注意到其變動后對于刀具壽命設定和強制換刀、切削加工質量控制等相關系統的影響。

切削參數的改變可以使切削加工過程中斷屑和排屑的狀況改變，所以在加工過程中遇到由于斷屑和排屑問題而影響切削加工的正常進行或引起加工質量問題時，可以通過適當改變切削參數找到相應的解決方案。切削參數包括切削速度、進給量、數控設備和刀具的性能，只考慮切削參數的設置是沒有意義的；同樣離開切削參數的設置，單獨研究刀具的壽命也是不切實際的。切削加工過程中切削參數和切削深度等是影響切削加工效果的重要變量。切削參數的設置和切削加工系統中的其他變量有著強烈的相關性，離開切削加工的要求、工藝安排、參數、數控程序和機床、刀具、工件、操作者等在一定環境條件下的結合，是多方面因素對產品質量綜合作用的過程，為了獲得很好的切削效果，切削參數和數控程序應是穩定和可靠的。

4. 難加工材料切削加工質量控制策略

加工尺寸和刀具破損的在線檢測與控制如下所述。

（1）加工尺寸控制系統通常由在線檢測裝置、控制裝置和補償裝置組成 加工后的在線檢測工件狀態，必要時可以進行工件找正、參數設定和補償，很多情況下是自動檢測并根據檢測反饋的結果，自動進行調整。在線檢測裝置已成為現代切削技術智能化的一個部分。

（2）調整刀具的使用壽命，強制換刀 刀具壽命：刀具磨損到一定程度不能繼續使用，否則將降低所加工工件的尺寸精度和表面質量，而且刀具磨損嚴重后導致切削阻力增加，刀具有可能發生折斷等非正常損耗。由于刀具材料、工件材料性能的分散、材質及加工余量不均勻、切削中冷卻、潤滑狀態的差異，以及機床、夾具狀況等切削加工系統中其他眾多因素的存在，刀具壽命實際是一個隨機變量。

由于一般刀具的后刀面都會磨損，隨著后刀面磨損加大，切削力大幅增加。在切削技術的研究和切削試驗中一般都按后刀面的磨損尺寸來制定磨鈍標準，在不同的切削加工系統條件下，刀具的磨鈍標準實際是不同的。在一定批量的生產中通常根據刀具所表現出來的加工對象的尺寸精度和表面粗糙度的變化作為評判標準。

強制換刀：在實際加工中為了提高生產效率，保證產品加工質量穩定，應依據歷史數據和實際生產中刀具的狀態，設定刀具的耐用度，即每次更換刀具后該刀具所允許的加工時間達到規定的刀具耐用度時，該刀具必須被換下來進行重磨或者報廢處理。如果刀具可以重磨，也應通過統計和分析對刀具重磨次數進行跟蹤和控制。刀具耐用度的設定和更改，必須以切削加工試驗數據作為依據。對于刀具壽命的控制也必須和切削加工質量控制系統聯系起來考慮。

比較分析刀具壽命時，也要充分考慮，首先要確定的是換刀的評判標準和測評方法，從刀具本身考慮，在換刀時刀具磨損情況對刀具刃磨的影響，如刀具一次使用時間過長，磨損過渡，會使刀具重磨次數減少，使得總的刀具壽命反而縮短，所以需要通過數據的積累確定合適的換刀時間。高性能刀具必須都是經過切削試驗和生產加工驗證過的刀具，刀具的更改也必須受控。

（3）切削加工智能控制 高、精、尖裝備的生產不斷向金屬切削機床的極限能效提出新的挑戰，亟需綜合運用信息與計算技術、多學科聯合仿真方法和科學實驗手段，通過對切削過程中的復雜物理行為的數字化建模、仿真和優化，實現對加工過程的定量主動控制。

智能機床需具有自優化、自監控、自診斷和預維護功能。在加工過程中，可借助各種傳感器、聲頻和視頻系統對加工過程中的力、振動、噪聲、溫度和工件表面質量等進行實時監測，進而通過預先建立的系統性能參數庫或知識庫進行切削參數的自動優化與誤差補償。金屬切削過程各生產要素得到充分調動，生產效率不斷提高。

智能制造機床以高端機床為主。自動化機床加工線，刀具用至報廢換刀，需要對壽命進行管控，定期換刀，手工輸入電腦的方式在面對大量數據面前，效率低下。刀具智能存儲柜可以很好解決刀具存儲問題。可與ERP等對接，按機床、零件等領刀，做相應的分析報表。抽屜內加裝智能傳感器，自動盤點庫存，自動發送庫存提醒，實現刀具合理存儲和管理。

5. 結語

航空發動機切削技術在發動機制造中具有重要的地位。智能制造時代為先進技術的應用提供了廣闊的舞臺，研究先進的切削技術對航空發動機制造水平不斷提升具有重大意義。