發布日期：2022-10-09 點擊率：125
葉片是航空發動機的主要零件，其特點表現為形狀和載荷情況十分復雜，且尺寸大小相差懸殊。一般來說，葉片的加工工作量占整臺發動機加工工作量的30%~40%[1]。葉片的主要制造工藝過程分為毛坯制造和機械加工兩大階段。葉片毛坯的制造一般有鑄造和鍛造2種。鑄造工藝多用于渦輪工作葉片和導向器葉片，特別是空心葉片，目前已由普通鑄造發展為熔模精密鑄造。鍛造葉片最大的優勢就是葉片強度高，但鍛造模具的加工難度大，費用高。葉片鍛造工藝也已由半精鍛逐步發展為精鍛。無余量精密鍛造葉片成為今后壓氣機葉片制造的發展趨勢。
由此可見，葉片精密鑄模和精密鍛模是葉片制造的重要工裝。精鑄模和精鍛模的型腔曲面與葉片曲面配對，形狀復雜；種類多，批量小；材料的可加工性差，尤其是鍛模。據統計，葉片模具的設計和制造周期占整個航空發動機設計制造周期的30%[2]，對發動機的制造質量、生產周期、制造成本有直接影響。
高速切削具有高效、高精度、能切削高硬材料、工件表面質量高等一系列優點。雖然在機床、刀具方面的一次性投資較高，但綜合考慮葉片模具的生產效率、成品率、使用壽命以及磨損后的可修復性，高速銑削仍是解決航空發動機葉片模具高效、低成本制造問題的最有效方法。
迄今，高速切削技術在航空制造業、汽車制造業、模具工業中應用最為廣泛并最為成功。在航空制造業的應用，主要集中在飛機整體結構件和航空發動機高硬合金零件（主要為葉片）的高速切削上，而有關航空發動機壓氣機葉片和渦輪葉片模具的高速銑削技術和工藝，關注者不多。
葉片模具機械加工工藝分析
1 材料分析
葉片材料有鋁合金、鈦合金和不銹鋼，其精鑄模具或鍛造模具的型體和型芯，材料一般為合金鋼并經過淬硬處理（即淬硬鋼），如5CrNiMo。淬硬鋼一般指經過淬火并回火后硬度達到HRC 50以上的鋼[3]。淬硬鋼材料的硬度高，耐磨性好，塑性差；導熱性能差，導熱系數約為45鋼的1/7。淬硬鋼材料的硬度和強度取決于組織中馬氏體的含碳量。
葉片模具材料的這些因素給切削加工帶來以下困難：（1）單位切削力大，加工困難，且切削過程的平穩性較差；（2）材料導熱系數小，切削溫度高，使刀具磨損嚴重，而組織中回火后呈彌散分布的細小碳化物加劇了刀具的磨損；（3）工件硬度和切削速度是影響切屑形態的主要因素，在一定速度條件下，淬硬鋼切削時易產生鋸齒狀切屑，造成切削力的循環變換和高頻振動，工件表面質量差。
常規速度的銑削難以直接加工淬硬鋼，過去常采用電火花加工和磨削加工，效率低。高速銑削可以加工硬度HRC60，甚至更高的工件材料，可直接加工淬硬后的模具，因為[4]：
（1）由于切削機理的不同，高速切削時切削力降低，加工容易，且切削變形小；
（2）高速切削時，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，傳給工件和刀具的熱量大幅度減少；
（3）工作平穩，振動小，零件的加工表面質量高，原因有2個方面：高速切削時，機床的激振頻率高，遠離了工藝系統的固有頻率，避免了顫振；切削力是切削過程中的主要激勵源，切削力降低使得激勵源減小。采用高速切削，不但可大幅度提高生產率，而且可有效地減少刀具磨損，提高零件加工的表面質量。
2 工藝分析
由于航空發動機葉身型面是由基元葉型按一定的積疊規律積疊而成的空間曲面[1]，形狀復雜（見圖1），因此其精密鑄模和鍛模的型腔曲面也是復雜的自由曲面[5]。型腔曲面宜采用數控多軸銑削方法進行加工。
圖1 航空發動機渦輪葉片
傳統的葉片模具加工路線為：毛坯退火-粗銑-半精銑-淬火和回火-粗磨-電火花加工特殊部位（型腔、尖角）-精磨-鉗修。在該工藝流程中，淬火后只能進行磨削加工和電火花加工，熱處理產生的變形也必須由電火花或手工進行修復。手工加工時間要占整個加工周期的很大部分，生產效率低。
若采用高速銑削方法，則其工藝流程為：毛坯退火-粗銑-半精銑-淬火和回火-高速銑削-鉗修。
不同的加工方法和機床、不同的工件材料，對應的高速切削速度范圍不一樣，所以很難對高速切削的速度范圍給定一個確定的數值。依據薩洛蒙高速切削假說以及高速切削機理的研究結果，在高速切削速度范圍內，切削力下降，工件的溫升較低，熱變形較小，刀具的耐用度提高。一般，工件材料硬度越小，高速切削速度越高。對于淬硬模具鋼，高速切削速度應為300m/min左右。
高速銑削淬硬模具鋼時，達到一定的切削速度后，刀具與工件接觸區域的溫度將保持在700℃左右，不再繼續升高；工件的平均溫度保持在190℃~225℃之間[3]。這可以采用很高的切削速度、較低的每齒進給量和切削深度直接高速銑削淬硬模具鋼的重要依據。
高速銑削除了提高切削效率之外，還會帶來如下優點：
（1）加工費用低。高速銑削取代電火花加工，可直接加工淬硬后的模具型腔。這樣既省去了電極材料、電極加工編程和加工，又節省了電極加工過程所需費用。材料去除率可與電火花加工相媲美, 甚至更優, 可獲得更好的表面質量。例如，某鍛模材料硬度高達HRC54，型腔精加工若全部由高速切削來完成, 加工時間為88min。如果按照以前的工藝, 從生產電極、電火花加工到拋光大約需17h。
（2）模具壽命延長。高速切削避免了電火花加工在加工表面留下白硬層（重鑄層）的缺陷。白硬層對模具壽命，特別是在壓鑄和鍛造等高應力狀態下使用的模具是十分有害的。模具壽命的提高還有另外一個原因，在傳統的加工工藝中，電火花加工去除的型腔余量較大。模具材料的淬透性較差，模具心部與外表的硬度相差較大，當加工的余量較大時，模具心部硬度較低處就成了加工后的外表面，導致該處強度與硬度下降，使用壽命下降。
（3）減少了手工休整工作量。由于高速銑削切削量減小，可以使用更小直徑的銑刀對小的圓角半徑和模具結構的細節進行加工，節省了部分加工和手工鉗修工作。手工修整時間的減少和生產工藝簡化對縮短生產周期的貢獻甚至超過了高速切削速度提高帶來的價值。獲得的表面粗糙度可以達到Ra0.5，可以與磨削媲美。
（4）高速銑削也使得模具修復更加方便。葉片模具在使用一段時間后，在下模型線的分模面就會出現塌陷，導致產品質量下降，這時就需要修模，以保持產品的質量和延長模具的使用壽命。過去修模主要是通過把塌陷處補焊再電火花加工來完成，或補焊后手工打磨。補焊時，模具存在應力集中，易導致模具使用時開裂。因此，電火花加工后還須增加去應力退火，模具的修模時間較長。采用了高速加工后，只需降低模具的分型面，直接使用原來加工時的NC精加工程序，無需重新編程，提高了修模效率。并且可以提高模具型腔的表面粗糙度, 去除模具使用的過程中產生的龜裂等缺陷，使模具使用壽命延長。
綜上所述，在葉片模具的高效、低成本制造中，高速銑銷能發揮重要作用。
刀具及刀具材料
為了使高速銑銷在模具加工中發揮高效、低成本的優勢，必須合理選擇刀具及刀具材料。
1 刀具材料
阻礙高速切削技術發展的一個重要障礙曾經是刀具材料的耐高溫和耐磨損問題。刀具磨損機理研究表明，在高速切削時，刀尖溫度將超過900℃，此時刀具的磨損不僅是機械摩擦磨損（以刀具后刀面磨損為主），還有粘接磨損、擴散磨損以及氧化磨損（以刀具刃口磨損和月牙洼磨損為主要形式）。高速切削刀具材料需要更高的硬度和耐熱、耐磨性。新材料、新工藝的不斷出現，使刀具材料由早期的高速鋼、硬質合金發展到陶瓷、金剛石、CBN、PCBN（Polysrystallinecubic born nitride，聚晶立方氮化硼）和刀具涂層材料。PCBN刀具和硬質合金涂層刀具在葉片模具的高速銑削中應用最為廣泛。
PCBN是在高溫高壓下將微細的CBN材料燒結結合在一起的多晶材料。由于受CBN制造技術的限制，目前直接用于切削刀具的大顆粒的CBN仍很困難，因而PCBN得到了較快發展。由于PCBN刀具具有與金剛石刀具相近的硬度，又具有高于金剛石的熱穩定性和對鐵族元素的高化學穩定性，因而在淬硬模具鋼的高速切削中應用廣泛。
PCBN刀具不宜在低速下進行切削，因為它是以負前角與高速切削時所產生的高熱不斷在切削區極微小范圍內使工件材料軟化進行切削加工的，而且也不宜切削軟的鐵族材料、未淬火鋼和鋁合金等，因為易產生積屑瘤，引起切削力波動，使被加工表面惡化，降低刀具壽命。
硬質合金刀具材料雖具有韌性好、抗沖擊、通用性好等優點，但其高溫硬度和耐磨性仍不能滿足高速切削需要。刀具涂層技術是硬質合金刀具技術發展中的一個重要轉折點。涂層硬質合金是用氣相沉積方法，在韌性較好的硬質合金基體上，涂覆一層或多層高硬度、高耐磨性的材料，從而獲得既有高韌性又有高耐磨性的刀具材料。涂層材料可分為2大類：一類是“硬”涂層材料，如TiC、TiN、Al2O3等，優點是硬度高、耐磨性好。另一類是“軟”涂層材料，如MoS2WS2等，特點是表面摩擦因數低，切削力小，切削溫度低。為了改善涂層刀具的切削性能，新型涂層材料及涂層方法層出不窮。
復合涂層與多層涂層材料，例如，TiAlN、TiCrAlN、TiSiN與TiAlSiN，在淬硬鋼的高速切削中應用廣泛[6]。復合涂層是由各種不同功能或特性的涂層薄膜組成的結構，其典型涂層為目前的硬涂層+ 軟涂層，每層薄膜各具不同的特征，從而使涂層具有更好的綜合性能。多層涂層是由多種性能各異的薄膜疊加而成，每層膜化學組成基本恒定[7]。其中，TiAlN涂層具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦因數小、導熱率低等優良特性, 尤其適用于高速切削高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等高硬材料。在要求高耐磨性的場合下，鑒于TiN涂層在高溫性能方面所表現出的不足，TiAlN有望部分或完全替代TiN[8-9]。
實踐證明，涂層硬質合金刀片比未涂層刀片的壽命提高幾倍[10]。此外，涂層刀片通用性好，一種刀片可以代替多種未涂層刀片，大大簡化了刀具管理和降低了刀具成本。
2 刀具類型與結構
在葉片模具高速銑削過程中，整體式立銑刀應用最為廣泛。葉片模具高速銑削銑刀有3大類：平底立銑刀、球頭立銑刀和可轉位銑刀。平底銑刀的刀尖很容易破損、刀具易失效、曲面加工精度低。由于模具型腔為自由曲面，且精度和表面質量要求高，因而球頭立銑刀應用最多，且球頭銑刀刀尖不像平底銑刀刀尖那樣薄弱，并且刀刃形狀有利于切削刃上載荷的均勻分布。但球頭銑刀的制造比平底銑刀困難，球心處的切削速度為零，使得加工表面質量降低。對于小尺寸的型腔，不宜采用可轉位銑刀。
需要特別注意的是，在整體式硬質合金涂層立銑刀高速加工時，由于加工過程中往往是刀尖先接觸工件，而銑刀刀尖處剛性差, 易發生刀尖破損。刀具破損后刀尖附近的涂層易被破壞而可能出現脫落。工件淬火后硬度大大提高，若淬火后工件材質不均、有裂紋，可加工性能大大降低，當加工到淬火后的局部硬質點位置時，切削力會突然變大，容易出現崩刃現象。
刀具結構、切削刃的幾何參數以及刀具的斷屑方式等對高速切削的效率、表面質量、刀具壽命以及切削熱量的產生等都有很大影響。
在高速銑削時，合適的刀具后角和合理的進給速度，能產生足夠大的切屑厚度，帶走熱量，避免切削硬化。刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數，應合理選擇；切削載荷與刀具每切刃的進給量有關。
一般來說，高速刀具的幾何角度和傳統的刀具大都有對應的關系。選擇合適的刀具參數，除了使刀具保持切削刃鋒利和足夠的強度外，很重要的目的是能形成足夠厚度的切屑，使切屑成為切削過程的散熱片，帶走盡可能多的熱量。
銑削用量與銑削方式
對于模具加工，正確選擇和優化切削參數，是保證高速切削能夠達到頂期效果、避免機床顫振的重要環節。目前，高速加工還沒有完整的工藝參數表和高速切削數據庫，不能通過切削手冊進行選擇。對于每一種刀具也還沒有特定的公式來確定最佳的切削參數組合。
高速銑削用量主要包括銑削速度、銑削深度（包括軸向銑削深度和側面銑削深度）、進給速度或每齒進給量以及銑削刀具的懸伸長度等。影響高速銑削用量的因素非常多，其中最主要的是工件材料和銑刀材料的匹配關系。
實際生產中，可以根據工件材料、刀具材料、工序特征等，通過實驗或仿真的方法來確定最佳的切削速度和進給量。目前有相當多的研究者在關注高速切削用量的選擇問題。
對于淬硬模具鋼，高速銑削速度應在300~6000m/min范圍內。通常采用的切削方案為：高切削速度、中進給量和小切削深度。但實際加工中，并不是切削速度越高，效果越好。要對工件、刀具以及設備綜合考慮，制訂合理的加工方案。需要指出的是，對于葉片模具小半徑、狹窄的型腔或輪廓加工, 為了達到高的輪廓精度, 仍需要較大的進給速度，尤其是對于高硬淬火鋼材料。若進給速度過低，銑刀可能會因熱過載而失去切削能力。
高速銑削時，應盡量選用順銑加工，因為在順銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產生大量熱，所以在逆銑中產生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加。同時在順銑中，刀刃主要受壓應力，而在逆銑中刀刃受拉應力，受力狀態較惡劣，降低了刀具的使用壽命。
銑削型腔曲面時，刀具可以是Z向垂直進/退刀，曲面法向的進/退刀，曲面正向與反向的進/退刀和斜向或螺旋式進/退刀等[9]。在實際加工中，可以采用曲面的切向進刀或更好的螺旋式進刀。而螺旋式進刀切入材料時，如果加工區域是上大下小，螺旋半徑會隨之減小以進刀到指定深度。若葉片型腔帶有敞口，此時應盡量從材料的外面走刀，以實時分析材料的切削狀況。而對于沒有型腔的封閉區域，采用螺旋進刀方式，在局部區域切入。
高速切削要保證刀路的方向性，當曲面曲率變化大時，應以最大曲率半徑方向作為最優走刀方向；曲面曲率變化小時，曲率半徑對走刀方向的影響減弱，宜選擇單條刀軌平均長度最長的走刀方向。
在保證加工精度的前提下，應減少空走刀時間，盡可能增加切削時間在整個工件中的比例，以提高加工效率。目前國內航空業的高速切削加工主要采用回路切削，即通過不中斷切削過程和刀具路徑，減少刀具的切入和切出次數，以獲得穩定、高效、高精度的切削過程。可以采用環切、螺旋切削，或者分步環切法走刀。
鋸齒狀切屑是高速銑削淬硬鋼材料時常常產生的切屑類型。鋸齒狀切屑的產生會造成切削力的周期性循環變換和高頻振動，影響刀具壽命，使刀具過早失效。對于鋸齒狀切屑的產生機理，目前存在絕熱剪切和周期脆性斷裂2種理論體系。文獻[3]認為，當切削速度提高到一定臨界值時，由于溫度升高而導致的材料熱軟化作用大于形變強化作用，切屑形態由連續帶狀轉變為剪切帶均勻間隔分布的鋸齒狀切屑。
鋸齒狀切屑的變形程度在很大程度上決定了淬硬模具鋼的加工難易程度。材料硬度越高，切屑形態由連續帶狀轉變為鋸齒狀的切削速度越低。針對不同硬度的工件材料，通過優化切削速度、每齒進給量和切削深度等加工條件組合，可以控制切屑形態為連續帶狀。
結論
（1）葉片精密鑄模和精密鍛模的制造是航空發動機葉片制造的重要工藝準備工作。高速銑削由于能直接加工淬硬材料，從而取代了傳統工藝中的電火花加工和磨削加工，并減少了鉗修工作，延長了模具壽命。
（2）PCBN刀具和涂層硬質合金刀具材料在葉片模具高速銑削中應用較多，其中TiAlN涂層材料有其獨特的優點，應用潛力大。整體式平底立銑刀和球頭銑刀，適合于葉片模具型面的加工。
（3）高速銑削參數是影響工件加工精度和效率的重要因素，其選擇目前仍依賴于經驗。銑削方式建議采用順銑。型腔曲面加工時，應慎重選擇進刀/退刀方式文獻[3]認為，當切削速度提高到一定臨界值時，由于溫度升高而導致的材料熱軟化作用大于形變強化作用，切屑形態由連續帶狀轉變為剪切帶均勻間隔分布的鋸齒狀切屑。
鋸齒狀切屑的變形程度在很大程度上決定了淬硬模具鋼的加工難易程度。材料硬度越高，切屑形態由連續帶狀轉變為鋸齒狀的切削速度越低。針對不同硬度的工件材料，通過優化切削速度、每齒進給量和切削深度等加工條件組合，可以控制切屑形態為連續帶狀。
參 考 文 獻
[1] 《航空制造工程手冊》總編委會主編.航空制造工程手冊—發動機葉片工藝.北京：航空工業出版社, 1998.
[2] 劉 彬，莫 蓉，郭永輝等.面向航空發動機模具的數據管理系統研究.制造業自動化，2006，28(5)：24-26.
[3] 秦哲.淬硬模具鋼高速銑削機理研究[D].廣東工業大學博士學位論文，2009.
[4] 王細洋.現代制造技術.北京：國防工業出版社，2010:8-9.
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