在航空發動機加工中擺線銑加工技術的應用
2015-12-22 來源：中航工業西安航空發動機（集團）有限公司 作者：廖鈴吉
與傳統加工不同，擺線銑加工過程中刀具-工件包角一直處于較小的狀態，刀具在公轉一周的過程中處于切削狀態的時間較少，從而非常有利于切屑的排出與刀具的散熱。擺線銑削主要目的是在充分滿足徑向切深的情況下避免槽銑等全浸入式銑削。這對于減少刀具的磨損、延長刀具的使用壽命非常有利。而對于采用較小的刀具-工件包角有可能帶來的切削效率降低，在擺線銑技術中，可以采用比常規銑削方法更大的軸向切深以提高材料去除率。
高溫合金、鈦合金等難加工材料在航空發動機零部件中廣泛應用，如航空發動機整體葉盤、機匣等復零部件。這類材料切削性能差，在加工時切削力較大、切削溫度高，造成刀具磨損嚴重。生產實踐中，通常采用較為保守的切削參數以降低刀具磨損速率和控制工件表面加工質量。但是，這會造成產品的加工效率較低。如何提高這類材料的切削加工效率、降低產品的生產周期與生產成本一直是工業界及學術界研究的難點與熱點。德國亞琛工業大學的研究發現，在切削難加工材料時，刀具-工件包角對刀具的磨損有重要影響。有效控制刀具-工件的包角對于控制切削加工過程中的熱力耦合作用、減少刀具磨損有顯著效果。擺線銑加工技術是一種在切削過程中對刀具進行降低負載和充分冷卻的加工技術。擺線銑加工過程中，由于刀具-工件之間具有較小的包角，可以在切削難加工材料時提供有效的冷卻與潤滑，從而可以提高切削速度、避免滿刀切削、降低刀具的磨損，近年來逐漸引起了工業界的重視并在難加工材料的粗加工中進行了應用。
擺線銑加工技術
1 擺線銑加工中的力熱耦合作用
特點
粗加工過程中通常期望提高材料去除率。傳統銑削方法通常采用增大刀具嚙合角來滿足材料去除率的要求。然而，這必然導致刀具和工件之間的接觸時間長、切削溫度升高，進而影響刀具使用壽命。如圖 1所示，以槽銑為例，使用傳統的工藝方法開槽時，刀具嚙合角可以達到180°。過大的刀具浸入角 （刀具包角）會產生過大的徑向力，使刀具發生彎曲變形，從而影響腔槽的幾何尺寸。
此外，當刀具 -工件包角過大時，切削熱不斷積累、加工溫度升高，從而導致切削溫度超過了刀具涂層的耐溫極限，形成刀具涂層失效、加劇了刀具磨損，如圖 2 所示。因此，加工時不得不選取保守的軸向切削深減小切削量、降低刀具的磨損速度。這種情況不僅降低了加工效率，還影響了加工的精度。
與傳統加工不同，擺線銑加工過程中刀具 - 工件包角一直處于較小的狀態，刀具在公轉一周的過程中處于切削狀態的時間較少，從而非常有利于切屑的排出與刀具的散熱。擺線銑削主要目的是在充分滿足徑向切深的情況下避免槽銑等全浸入式銑削。這對于減少刀具的磨損、延長刀具的使用壽命非常有利。而對于采用較小的刀具 -工件包角有可能帶來的切削效率降低，在擺線銑技術中，可以采用比常規銑削方法更大的軸向切深以提高材料去除率。
切削力方面，擺線銑時刀具在每公轉一周的過程中，徑向的切削深度從零開始逐漸增加到最大，然后再逐漸減小到零。切削力也經歷著從零增大到再減小的過程，如圖 3 所示。
因此，切削過程中刀具負載不會出現突變的情況。此外，因為擺線加工中刀具的徑向切削深度較小，所以切削合力也較小。較低的切削溫度以及小徑向切深帶來的低切削力使得在擺線銑過程中可以采用相對于傳統加工 2~3 倍以上的進給速度，從而有效提高加工效率。
2 擺線銑的軌跡形式通常采用的擺線刀具軌跡有兩種模型：圓形模型和次擺線模型，如圖 4 所示。其中，圓形模型軌跡由圓和直線段組成，刀具公轉運行軌跡為圓形，旋轉一周后沿圓弧一側的直線移動一個步長再進行公轉。這種加工軌跡的計算較為簡單，但是會產生加速度的不連續。
次擺線模型軌跡與圓形模型軌跡相比，主要差別在于刀具進給方向上的運動不單純是直線運動。這種擺線軌跡在切向和曲率上都是連續的，更容易滿足數控機床的運動學要求除上述軌跡之外，逐漸被普遍采用的一種擺線銑加工軌跡如圖 5 所示。這種軌跡在次擺線軌跡的基礎上縮短非切削部分的軌跡長度，采用直線進行連接，從而有助于提高加工效率。目前擺線銑加工軌跡生成方法中主要采用這種軌跡形式。
3 擺線銑加工技術的優點相對于常規加工軌跡形式，擺線銑加工技術具有如下優點：
（1） 擺線銑加工中，刀具沿擺線軌跡進行切削，可以適應各種加工余量的變化，從而降低加工余量突變對刀具的破壞。
（2）特別適合難加工材料的切削加工，如高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼等材料。
（3）擺線銑加工技術可以采用較大的軸向切削深度，從而可以代替傳統加工中需要進行多次分層的情況。例如，在航空發動機用高溫合金的切削過程中，軸向切深可達 20mm
（4）擺線銑加工過程中刀具負載在每一個擺線循環中都經歷了從小到大然后再變小的過程，不會出現刀具負載的突變，從而可以有效減少刀具的磨損。刀具壽命最高可延長5 倍以上，從而也相對降低了對刀具品質的要求。
（5）在每一次刀具公轉走刀循環過程中，到包含了切削過程和非切削過程，切屑薄容易排出，使得切削區域冷卻充分。切削條件得以改善，可以保持高的切削速度，進一步延長了刀具使用壽命。
（6）擺線加工中可以使用密齒刀，從而可以進一步提高切削參數和加工效率。在使用擺線銑加工時，采用 12mm 直徑密齒刀具加工高溫合金時的進給速度可達 800mm /min 以上，單件的加工時間最多可以降低75% 。
（7） 由于切削時切削力較小，將擺線銑技術與高速加工技術結合則特別適合薄壁零件的高效加工。擺線銑加工技術的發展現狀隨著數控機床性能的不斷提高以及擺線加工技術的不斷完善， 國內外工業界對擺線加工技術的應用也逐漸增多。美國 CELER ITIVE技術公司對擺線銑加工技術進行了發展，開發出了專用的 VoluMill軟件，并申請了相關軌跡生成方法的專利。VoluMill軟件目前已可直接集成于SiemensNX、PTC、OpenMind 等主流軟件中。
英國 Del cam 公司近年來在擺線銑加工技術的基礎上開發了專門針對粗加工的 V ortex技術。利用該技術在加工鈦合金零件時加工效率可以提升 60% 以上。利用 Vortex技術生成的加工軌跡如圖 6 所示。
除了在型腔類零件的加工中使用擺線銑加工技術，在復雜薄壁零件加工中的應用也逐漸增多。德國M TU 航空發動機公司從 2000 年開始研究擺線加工技術在航空發動機整體葉盤加工中的應用，經過 10 余年的研究開發成功并在整體葉盤的加工中進行了應用。根據 M TU 航空發動機公司的研究報告，采用擺線銑加工技術加工高溫合金 In718 整體葉盤時，加工時間可以縮短至原來的34% 左右，加工過程中使用的刀具數量降為原來的 28% ，葉盤加工中的刀具成本降為原來的 38% 。擺線銑加工技術（圖 7）為 M TU 航空發動機公司整體葉盤的加工帶來了巨大的效益。此外，DPTechnology公司從2012 年開始也在軟件中集成了整體葉盤的擺線銑粗加工開槽模塊。
德國的OPENMIND軟件公司在VoluMILL的基礎上開發了hyperM A X X 模塊，可以在類似發動機機匣的復雜薄壁環形件的加工中進行應用，如圖 8 所示。該模塊具備2 軸、3 軸以及 5 軸的擺線加工軌跡生成能力。
除了軟件公司對擺線銑加工技術進行開發與集成之外，數控系統制造商也逐漸增加了該項功能。海德漢 iTN C 530 系統增加了 275 擺線槽加工循環，可以用于任何槽的高效完整加工。該循環采用直線前進運動與銑刀圓周運動疊加形成軌跡。該功能特別適用于銑削高強度或高硬度的材料，在采用 275 擺線加工循環時允許使用大的切削深度和高速的切削運動。
擺線銑加工難點分析擺線銑加工技術在難加工材料的高效切削加工中作用顯著， 但是在實際應用過程中仍存在以下幾個難點：
（1）刀具 -工件包角的確定。在生成擺線銑加工軌跡時，刀具 -工件最大包角的選擇對加工效率有顯著影響。刀具 -工件包角選擇過大會導致刀具的加速磨損，而選擇過小又會導致加工軌跡過長，影響加工效率。刀具-工件包角的大小對切削過程中力熱耦合作用有重要影響， 進而影響到刀具的使用壽命和加工效率。因此，需要針對不同的工件材料，通過切削試驗確定較佳的刀具 - 工件包角。
（2）擺線加工軌跡的生成。目前的主流軟件中，都已具備簡單擺線銑加工軌跡生成的功能。但是對于復雜曲面結構零件，則需要較為復雜的擺線銑加工軌跡生成方法。擺線軌跡生成要求光順性較好，以使得機床在運行過程中能獲得較好的加減速性能。此外，目前的擺線加工軌跡應用在 2~3 軸中的應用較多，在 5 軸加工中的應用較少。在生成 5 軸擺線銑加工軌跡時，由于刀具軸向切深較大，刀軸矢量的變化對刀具負載的變化影響較大。因此，如何對 5 軸擺線銑加工中的刀軸矢量進行控制也是擺線銑加工軌跡生成中的難點。
（3）切削刀具的選擇。擺線銑加工方式可用于航空發動機復雜薄壁零部件的高效粗加工，如整體葉盤、機匣等。這類零件通常加工區域空間有限，必須選擇合適直徑的刀具進行加工。此外，在加工難加工材料時，還應考慮在擺線銑加工過程中采用密齒刀進行加工。
擺線銑加工技術的應用驗證擺線銑加工技術在難加工材料和薄壁零件加工過程中顯現出的優勢為航空發動機難加工材料復雜結構零部件的高效粗加工提供了一種新的可能。同時，對刀具要求的降低與加工效率的提升也大大降低了航空發動機復雜零部件的加工成本。圖 9 所示為采用擺線銑加工方法和常規方法加工航空發動機用G H 4169G 材料時的刀具磨損情況對比結果，所用刀具為國產普通硬質合金涂層刀具。從結果中可以看出， 在相同的材料切除量與加工時間情況下，采用擺線銑加工時的刀具磨損量遠低于使用常規加工方法時的刀具磨損量。
為進一步驗證擺線銑加工技術，對航空發動機機匣模擬件進行切削加工。工件材料為耐熱不銹鋼，所用刀具為 12m m 國產硬質合金平底刀。刀具軸向切深為 2. 5m m ，待切除的材料體積為 79cm
3。采用擺線銑方法的加工時間為 31m in，加工后刀具磨損量較小。機匣試件擺線銑試驗結果如圖 10 所示。上述試驗驗證結果充分顯示出擺線銑技術在航空發動機難加工材料零部件高效粗加工中應用的潛力。
結束語
難加工材料在航空發動機中大量使用，隨著數控機床性能的提高，采用擺線銑加工技術實現航空發動機難加工材料復雜零部件的高效粗加工已成為可能。目前，擺線銑加工技術已在多款軟件中進行了集成與應用，但在結合發動機復雜零部件的加工應用中還需要在以下幾個方面加強：
（1）常用航空發動機難加工材料的基礎切削參數。在應用擺線銑加工技術時，確定合適的刀具 - 工件包角與切削參數對發揮擺線銑的加工優勢、提高加工效率有重要作用。
（2）多軸擺線銑加工策略研究。航空發動機機匣、整體葉盤等零部件結構復雜，在如何結合這類零件的結構特點高效應用擺線銑加工技術方面需要進一步深入研究。
（3）擺線銑加工技術應結合數控加工裝備與刀具的特點。擺線銑加工技術具有切深大、速度高的特點，在規劃擺線銑加工軌跡與確定切削參數時應結合數控裝備和切削刀具的特點，充分發揮擺線銑技術的優點與數控設備的利用效率。
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