瓦爾特：整體葉盤（pán）加工刀具性能綜合評價
2016-8-8 來源：瓦爾特（tè） 作者：-
航空發動機零件普遍具有材料（liào）和結構的雙重難加工特性（xìng），加工刀具成本高，加工質量和加工效率（lǜ）亦難以保證。如何有效地評估刀具的切削性能和優選刀具已成為國內航空發動（dòng）機製造領域亟待解決的技術難題之一。為此，南京（jīng）航空航（háng）天大學以航空發動機整（zhěng）體（tǐ）葉（yè）盤、機匣以及盤軸等典型零件為研究對象，提出了一種麵向航空發（fā）動機典型零件的刀（dāo）具性能綜合評價方法（fǎ），針對粗、精加工過程，選取不（bú）同的刀具性能評價（jià）指標，利用灰色係統理論（lùn）分別構建了粗、精加工刀（dāo）具性能綜合評（píng）價模型。
錨定加工難點
鈦合金和高溫（wēn）合（hé）金本（běn）身具有（yǒu）優越的（de）綜合性能，是加工航空發動機（jī）典型零件的理想材料，但典型零件包含材料和結構雙重難加工性，對切削加工的刀具提出了嚴峻挑戰。選擇合（hé）適的刀具對於（yú）提（tí）高典型零件的加工效率，保證（zhèng）加工質量穩定性至關重要。同時，刀具材料、塗層技術和刀具結構的快速創新推動了切削加工技術的快速發展，為提高加工（gōng）效率，保證加工質量和降低生產成本提供了強大支撐（chēng）。因此，通過評價刀具性能來實現刀具優選就變得格外重要。”
整體葉盤的工藝難點諸多，它（tā）尺（chǐ）寸大，範（fàn）圍寬，外徑輪廓一般在Φ600~Φ1200mm，需（xū）要較大（dà）規格的（de）加工設備；它結構複（fù）雜，其盤和（hé）葉片采用一體化（huà）設計結構（gòu），葉片為空間自由曲麵，尤其是風（fēng）扇整（zhěng）體葉盤的葉片，為寬弦、大扭角，通道開敞性差，鼓筒與葉片連接處型麵較為複（fù）雜，機械加工難度很大，確定五軸加（jiā）工方式、解決多約束加工幹涉（shè）、計（jì）算複雜刀軸矢量計算等問題至關重要；同時，尺寸、形位公差和表麵粗糙度設計精度高，其尺寸和形位公差一般（bān）要求在自由狀態下檢測，而（ér）整個加工過程零（líng）件處於限位（wèi）狀（zhuàng）態，兩者的狀態會有（yǒu）一定的差異（yì），因此，加（jiā）工過（guò）程會扣嚴公（gōng）差，導致加工難度更大；整體葉盤的葉片部分是懸臂結構，葉片壁厚又薄，整（zhěng）體葉盤的剛（gāng）性（xìng）比（bǐ）較弱，在加工過程中容易產生顫振和變形，因此，在夾具（jù）設計和加工工藝方麵（miàn）需要采（cǎi）取一定的措施，來解決顫振和（hé）加工變形問題以提高切削剛性；整體葉盤的材料多為鈦合金或高溫合（hé）金，這樣的難加工材料，切削加工困難（nán），需要選擇適合整體葉（yè）盤切削（xuē）加工的刀具材料、刀具結構及幾何尺寸。
圖1. 整（zhěng）體葉盤基準件三維圖，主要包含葉片和流道兩種（zhǒng）典型（xíng）難加工結構（gòu）特征
此次作為研究（jiū）選定的整體（tǐ）葉（yè）盤基準件材料為鈦合金TC4，輪廓尺寸（cùn）為100mm×53mm×63mm，葉片高度為（wéi）30mm，最（zuì）薄處（chù）小於2mm，流（liú）道圓弧半徑為480mm，轉接圓弧半徑為4mm，底部（bù）裝（zhuāng）夾高度為30mm。為了提高粗銑加工的（de）效率和（hé）保（bǎo）證加工穩定性，整體葉盤基準件將葉（yè）片的自由（yóu）曲麵簡化為直紋麵來降低粗（cū）銑加工的難度，可（kě）實現四坐標銑加（jiā）工葉片。該基（jī）準件忽略次（cì）要特（tè）征，包含了整體葉盤葉片和流道兩種最（zuì）典型結構特征。
工藝路線與加工
粗加（jiā）工（gōng）策略（luè）。粗加（jiā）工的目的是完成葉片之間主要加工餘量（liàng）的去除以及葉片後續加工餘量的均勻化。整體葉盤（pán）基準件粗加工開槽采用（yòng）大進給刀具，采（cǎi）用型（xíng）腔銑，封閉區域螺旋進刀，開放區域線性進刀，餘量為0.6mm。WSM35S、WSP45S刀片切削參數為切削速度Vc=80m/min，每齒進給量（liàng）fz=1mm/Z，徑向切深ae=12.5mm，軸（zhóu）向切深ap=0.6mm。
圖2 整體葉盤基準件粗加工走刀軌跡圖例
實際加工采用了WALTER機夾式可轉位大進給刀片，刀具直徑為25mm，刀杆牌號為F4030.T22.025.Z02.01，刀片牌號分別為P23696-1.0 WSM35S、P23696-1.0 WSP45S，該係列（liè）刀具前角為（wéi）16°，後角（jiǎo）為14°。
圖3 .粗加工刀柄（bǐng）及其刀片
半精加工策略。半精加工的目的通常是平滑光整（zhěng）地加（jiā）工粗加工後的殘留加工麵，或者是對拐角處進行清（qīng）角，從而使工件（jiàn）加工（gōng）表（biǎo）麵餘量均勻，為精加工作（zuò）好準備。整體葉盤基準件（jiàn）葉片頂部半精加工采用平麵銑，去除葉片頂端餘量，封閉區域（yù）螺旋進刀，開放區域線（xiàn）性進刀。
選用了WALTER整體硬質合金（jīn）刀具H7073717-12-2，其切（qiē）削參數為（wéi）切削速度Vc=90m/min，每齒進給（gěi）量fz=0.06mm/Z，徑向切深ae=6mm，軸向分五層：軸向切深ap=0.6mm。半精加工刀具為WALTER Protostar Ti 40係列的整體硬質合金（jīn）刀具H7073717-12-2，該刀具有4個刀刃，刀尖圓角半徑為2mm，螺旋角為400。
圖4.整體葉盤（pán）基（jī）準件半精加工走刀軌跡（jì）圖例
精加工策略。精加工的（de）目的是為了保證良好的加工質量（liàng）和（hé）尺寸（cùn）精度，精加（jiā）工直接決定了實（shí）際的加工（gōng）效果是否能夠達到實際需求。精（jīng）加工時，分別采用不同的方法先加工（gōng）葉片特征，後加工流道特征。葉片采用可變輪廓銑，曲麵驅動方法，投影矢量為朝向驅動體，刀軸采（cǎi）用側刃驅動體（tǐ），側傾（qīng）角為10o，進刀方式為線性-垂直（zhí）於部件，切削參數為切削速度Vc=60m/min，每齒進給量fz=0.04mm/Z，徑向切深ae=0.3mm，軸（zhóu）向（xiàng）切深ap=1.2mm。流道也采用（yòng）可變輪廓銑，曲（qǔ）麵驅動方法，投影矢（shǐ）量為朝（cháo）向驅（qū）動體，刀軸采用（yòng）垂直於驅動體。進刀方式為圓弧-垂直於部件，切削參（cān）數為切削速度Vc=80m/min，每齒進給量fz=0.04mm/Z，徑向切深ae=1mm，軸向切深ap=0.3mm。精加工過程中采用了（le）WALTER整體硬質合金刀具，精加工球頭刀具刀具牌號為H7073717-12-2。
圖5 精加工球頭刀（dāo）具
實驗結果（guǒ）及（jí）分析
根據所製定的加工策略以及刀具（jù）的切削參數，最終加工出整體葉盤基準件（共兩塊）驗證不同刀具的切削性能，整體葉盤基準件粗加工（gōng）結果如圖6所示。
圖6. 整體葉盤基準件粗加工後圖例（lì）
粗加工各刀片試驗結果：
如上是兩種（zhǒng）刀片加工基準件的流道特征時後刀麵磨損的測量結果，後刀麵磨損VB為相應刀（dāo）具加工完流道特（tè）征後的後（hòu）刀麵磨損量，金屬去除率可利（lì）用切削參數計算得到。
而根據（jù）如（rú）上的測量和（hé）計算（suàn）結果，運用所構建的粗加工（gōng）模型可對加工刀具進行灰色綜合評價。粗加工各刀片性能灰色綜（zōng）合評價結果：
運用（yòng）灰色（sè）關聯（lián）分析法（fǎ）對刀具性能進行評價的（de）關鍵在於計算出加權關聯矢量（liàng）γ′，利（lì）用最大加權關（guān）聯度γi來決定相對最優（yōu）切削刀具。在基準件流道特征（zhēng）的粗加工過程中，加權（quán）關聯矢（shǐ）量γ′=(1，0.553)，最大加權關聯度γi=max(1，0.553)=γ1，所以（yǐ）刀片WSM35S的（de）切削性能優於刀片WSP45S。同時可知，兩種刀片金屬去除率（lǜ）相同，可直接通過後刀麵磨損判斷刀（dāo）具性能優劣，但金屬去除率相同屬於（yú）巧合情況，並（bìng）不影響粗加工評價模型針對一般情況的使用。
圖 7. 整體葉盤基準件精加工裝夾圖
圖 8 整體葉盤基準（zhǔn）件（jiàn）精加工後圖
精加工各刀具試驗結（jié）果（guǒ）：
以上（shàng）為精加工評（píng）價指標（biāo）表麵粗糙度（dù）、尺寸誤差（chà）、後刀麵磨損的測量結果，各指標的測量結果（guǒ）是加工完葉片（piàn）和流道特征後的測量結果（guǒ）。根據於此，運用（yòng）所構建的精加（jiā）工模型對加工刀具進行灰色綜合評價，評價結果如下所示。
精加工各最優刀片性能灰色綜合評價結果：
通過（guò）用所（suǒ）建立的灰色綜（zōng）合評價模型分別評價粗、精加工刀具，最（zuì）終得出以下結論。
（1）典型結構特征對於刀具的性能有著（zhe）重大的影響，同一種刀具加工不同的結構特征將會體現出不同的切（qiē）削性能，故有必要（yào）針對不同的結構特征優選（xuǎn）刀具，提高加（jiā）工效率的同時並保（bǎo）證加工質量及穩（wěn）定性。
（2）粗加工整體葉盤基準件的流道特征時，在相同切削參（cān）數條件下，刀片WSM35S的切削性能優於刀（dāo）片WSP45S。精（jīng）加工整體葉盤基準件的葉片和流道（dào）特征時，WALTER 4齒（chǐ）球頭刀具的綜合切削性能均優於（yú）其他品牌齒球頭刀具的綜（zōng）合切削性能。
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