某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件輪廓面數(shù)控車削程序優(yōu)化研究

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件輪廓面數(shù)控車削程序優(yōu)化研究

【Summary】某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)罩為大直徑薄壁件，結(jié)構(gòu)剛性差，材料為鎳基高溫合金，零件表面有斷續(xù)孔和鋁硅涂層。在切削加工過程中，由于刀具頻繁產(chǎn)生振刀、讓刀、崩刃現(xiàn)象，同時(shí)零件易受切削力作用而產(chǎn)生切削變形，導(dǎo)致零件輪廓面尺寸精度無(wú)法保證，一次加工合格率低，表面質(zhì)量差，以上技術(shù)難點(diǎn)嚴(yán)重耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，影響產(chǎn)品的交付。本文主要針對(duì)薄壁壓氣機(jī)罩輪廓面處尺寸的加工技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行工藝分析，創(chuàng)新數(shù)控程序優(yōu)化方法、車削刀具優(yōu)化方法，從而提升產(chǎn)品合格率，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，為顧客提供高質(zhì)高效的產(chǎn)品。【Keys】鎳基高溫合金Inconel625、斷續(xù)切削、切削變形、面輪廓度1.概述壓氣機(jī)罩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，本文所述壓氣機(jī)罩是某機(jī)型壓氣機(jī)單元的重要零部件之一。零件材料為鎳基高溫合金Inconel625，該材料是以鉬鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能，并且耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕。零件壁厚0.5～3.5mm,壁厚分布不均勻；零件總高110mm,最大直徑Φ451mm,徑長(zhǎng)比大4.1:1；零件安裝邊根部處有圓弧槽，輪廓端面處有一組間斷孔和硬質(zhì)涂層流道面，零件小端呈喇叭狀。2.存在的主要問題零件為大直徑薄壁件，結(jié)構(gòu)剛性差，材料切削加工性差；間斷孔A、B，刀具在加工孔A、B處構(gòu)成斷續(xù)切削，加工過程存在振刀、讓刀現(xiàn)象，易磨損、易發(fā)生崩刃；刀具切削力大，導(dǎo)致零件輪廓面、基準(zhǔn)面、間斷孔A處端面受切削力作用而變形,尺寸精度無(wú)法保證，表面質(zhì)量較差；刀具切深僅為0.3-0.5mm，尺寸返修率高，生產(chǎn)加工效率低；噴涂層表面凹凸不平，涂層厚度不均勻，造成刀具切削力不均等，零件受切削力作用而呈不規(guī)則變形。3.研究方案的實(shí)施3.1原程序走刀路線存在的問題如圖1所示，刀具加工路線：粗車內(nèi)輪廓面（路線1）→粗車輪廓端面（路線2）→粗車斜槽（路線3）→粗車外型面（路線4、5）→精車斜槽（路線6）→精車內(nèi)輪廓面（路線7）→精車外型面外圓（路線8）→精車外型面端面（路線9）→精車輪廓端面（路線10）。加工缺點(diǎn)：①無(wú)法避免刀具加工斷續(xù)孔時(shí)出現(xiàn)的振刀、讓刀現(xiàn)象；②無(wú)法消除刀具加工硬質(zhì)涂層時(shí)產(chǎn)生的過大的切削力；③無(wú)法有效控制或減小零件的切削變形。圖1優(yōu)化前刀具走刀路線圖圖2優(yōu)化后刀具走刀路線圖3.2數(shù)控車削程序刀具走刀路線研究如圖2所示，刀具加工方案：粗車斜槽（路線1）→粗車內(nèi)輪廓面（路線2）→粗車內(nèi)輪廓面（路線3）→粗車內(nèi)輪廓面（路線4）→粗車內(nèi)輪廓面（路線5）→粗車間斷孔處端面（路線6）→粗車輪廓端面（路線7）→粗車外型面端面（路線8）→粗車外型面外圓（路線9）→精車斜槽（路線10）→半精車間斷孔處端面（路線11）→精車內(nèi)輪廓面（路線12）→精車內(nèi)輪廓面+輪廓端面（路線13）→精車外型面外圓（路線14）→精車外型面端面（路線15）→精修輪廓端面（路線16）→精修外型面端面（路線17）→精修基準(zhǔn)外圓（路線18）。加工優(yōu)點(diǎn)：（1）噴涂層處的加工：將內(nèi)輪廓面硬質(zhì)噴涂層的加工以點(diǎn)B作為分界點(diǎn)，分為兩段加工，增大刀刃與零件加工面的夾角，減小切削力，便于排屑；程序段2和3去除內(nèi)輪廓面處凸起的涂層厚度，使噴涂層平整，為程序段4和5粗車內(nèi)輪廓面提供均勻的余量，避免產(chǎn)生過大的切削力而導(dǎo)致零件變形。（2）間斷孔A處的加工：程序段15半精加工間斷孔A處端面，去除大部分余量，同時(shí)消除粗加工的應(yīng)力變形；由于間斷孔A處壁厚最薄，變形最嚴(yán)重，安排程序段17最后精修間斷孔A處端面，消除端面由于刀具振刀、讓刀引起的應(yīng)力變形，保證平行度合格；以孔為界，分上、中、下段切削區(qū)域，上段、下段區(qū)域切削參數(shù)保持一致，中段區(qū)域（即間斷孔處）切削速度適當(dāng)減小，以減小刀具切削力，避免刀具崩刃。（3）間斷孔B處的加工：程序段6去除間斷孔B處端面的粗加工余量，避免程序段7粗車輪廓端面時(shí)出現(xiàn)由于刀具瞬間切削狀態(tài)的變化造成切削力過大而導(dǎo)致零件變形；程序段11半精加工輪廓端面，消除粗加工的應(yīng)力變形；程序段16精修輪廓端面和間斷孔B處端面，消除端面的應(yīng)力變形，保證基準(zhǔn)A平面度尺寸0.02和面輪廓度尺寸0.101。（4）基準(zhǔn)B的加工：程序段18精修基準(zhǔn)外圓B（見圖2），消除基準(zhǔn)B的變形，保證基準(zhǔn)B合格；（5）粗、精加工刀具分開，保證刀具鋒利，避免因刀具磨損引起的零件變形。3.3數(shù)控車削刀具及切削參數(shù)研究3.3.1車削刀桿的選擇：采用25×25鍥銷壓緊式外圓車刀桿和Φ40鍥銷壓緊式內(nèi)孔車刀桿，該類刀桿調(diào)節(jié)距離大，能可靠地夾緊燒結(jié)刀片，鎖緊穩(wěn)定，剛性強(qiáng)，能抑制振動(dòng)和承受大的切削力；采用盡可能短的刀桿懸伸，減小刀具振動(dòng)。通常情況下，刀桿懸伸為4D（D為刀具直徑或厚度）時(shí)，其切削面積應(yīng)減少40%，懸伸大于4D時(shí)，其切削面積應(yīng)進(jìn)一步減少10%，本項(xiàng)目外圓刀桿懸伸距離為1.5D，內(nèi)孔刀桿懸伸距離為2.25D；同時(shí)內(nèi)孔刀桿應(yīng)保證良好的夾持，以提高刀具的加工剛性，本項(xiàng)目?jī)?nèi)孔車刀桿夾持長(zhǎng)度為4D。3.3.2車削刀片的選擇：刀片樣式選取可轉(zhuǎn)位刀片，優(yōu)點(diǎn)：定位和重復(fù)精度高，對(duì)刀體能起保護(hù)作用，操作快捷、簡(jiǎn)便；刀尖夾角：夾角越大刀片越堅(jiān)固，反之刀片越脆弱，但刀尖夾角越大在切削過程中越易產(chǎn)生振動(dòng)，故本項(xiàng)目選擇35°的VBMT型刀片和80°的CNMG型刀片；刀尖圓弧半徑R：在不增大刀具切削力的前提下，刀尖圓弧半徑R角盡量選擇較大值，保證刀片的切削剛性，故本項(xiàng)目選擇R0.8。刀片后角：CNMG型刀片選擇負(fù)后角型，角度為7°，VBMT型刀片選擇正后角型，角度為5°，保證刃部的剛性，改善散熱條件。3.3.3刀片材料的選擇：鎳基高溫合金Inconel625在常溫下有較高的機(jī)械性能和較高的塑性,而且在700°C高溫時(shí)仍保持其機(jī)械性能,具有很高的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性及熱疲勞性。材料特性具體概括如下：①導(dǎo)熱性差，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量集中在切削刃附近，不易散出，工件易被燒傷，刀具材料易軟化，加劇刀具的磨損；②化學(xué)性能活潑，在受熱情況下易與大氣中的氧氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬脆物質(zhì)；③具有較強(qiáng)的親和力，刀具和工件間易發(fā)生粘結(jié)和元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，形成積屑瘤，造成過切；④彈性模量低，在切削加工中有較大的切削變形以及大的彈性恢復(fù)，使刀具的實(shí)際后角減少，加劇后刀面與已加工表面間的磨擦，加劇刀具的磨損，降低已加工表面的質(zhì)量。鑒于以上材料特性，分析刀具材料選用應(yīng)滿足：足夠的硬度（刀具的硬度必須大于鎳基高溫合金的硬度）、強(qiáng)度、韌性、耐磨性，與鎳基合金親和力要差，因此才能避免刀具材料在加工中和鎳基合金形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。故本項(xiàng)目除圓弧槽外的零件表面選擇克洛伊KORLOY菱形刀片，其具有最強(qiáng)韌性超微顆粒硬質(zhì)合金基體與氮化鈦鋁TIALNPVD涂層，耐磨性和耐沖擊性強(qiáng)、適合耐熱合金的加工。3.3.4數(shù)控車削刀具切削參數(shù)的確定：在確定刀具材料及走刀路線后，如何選擇刀具切削加工參數(shù)很關(guān)鍵，由于該零件結(jié)構(gòu)剛性差，同時(shí)切削內(nèi)容包含斷續(xù)孔和涂層，如果切削參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)造成加工表面形成硬化層、刀具切削力過大等現(xiàn)象，進(jìn)而造成刀具在加工過程中容易斷刀，精密尺寸難以保證。故組織了多次工藝試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證粗、精加工程序段分開，保證刀具鋒利，避免因刀具磨損導(dǎo)致切削力過大；切刀宜選用機(jī)加切刀桿，配套刀片選用小刀寬、剛性合適的伊斯卡刀片W2.5mm*R1.25mm,在保證刀具剛性的前提下，盡量減小切削力；精加工安裝邊處基準(zhǔn)端面，由于該位置結(jié)構(gòu)剛性最弱且存在斷續(xù)車削，宜選用25mm×25mm鍥銷壓緊式外圓車刀桿，配套刀片選用克洛伊刀片規(guī)格R0.8*80°，保證刀具的切削剛性及強(qiáng)度。該零件的加工只適用于低轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小切深切削，以最大限度的減小刀具切削力，避免零件產(chǎn)生應(yīng)力變形；加工內(nèi)腔弧面硬質(zhì)涂層處，因涂層表面凹凸不平，厚度不均勻，需要分多次走刀完成，首次進(jìn)刀必須小切深去除不等厚的涂層，同時(shí)避免切削大切深涂層瞬間產(chǎn)生過大的切削力；加工輪廓端面和安裝邊端面處的間斷孔時(shí)，需保證刀具鋒利、編制獨(dú)立程序段低轉(zhuǎn)速、小切深進(jìn)行精修整；加工圓弧槽時(shí)必須前工序留余量加工，本工序切槽刀低轉(zhuǎn)速、小切深完成精加工；加工時(shí)冷卻液要保證充足，冷卻循環(huán)速度要快，切削液流量及壓力要大，冷卻噴嘴注意調(diào)整到刀具切削點(diǎn)，以便帶走絕大部分的切削熱，提高零件的尺寸精度、表面質(zhì)量和刀具的耐用度。5.結(jié)束語(yǔ)通過開展程序優(yōu)化、車削刀具及切削參數(shù)優(yōu)化研究，該零件的技術(shù)難題得以攻破，達(dá)到了預(yù)期的改善效果，通過對(duì)三批次20件零件實(shí)測(cè)值記錄的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出零件過程能力指數(shù)CPK=1