瓦爾特：整體葉盤加工刀具性能綜合評價
2016-8-8 來源：瓦爾特 作者：-
航空發(fā)動機(jī)零件普遍具有材料和結(jié)構(gòu)的雙重難加工特性，加工刀具成本高，加工質(zhì)量和加工效率亦難以保證。如何有效地評估刀具的切削性能和優(yōu)選刀具已成為國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題之一。為此，南京航空航天大學(xué)以航空發(fā)動機(jī)整體葉盤、機(jī)匣以及盤軸等典型零件為研究對象，提出了一種面向航空發(fā)動機(jī)典型零件的刀具性能綜合評價方法，針對粗、精加工過程，選取不同的刀具性能評價指標(biāo)，利用灰色系統(tǒng)理論分別構(gòu)建了粗、精加工刀具性能綜合評價模型。
錨定加工難點(diǎn)
鈦合金和高溫合金本身具有優(yōu)越的綜合性能，是加工航空發(fā)動機(jī)典型零件的理想材料，但典型零件包含材料和結(jié)構(gòu)雙重難加工性，對切削加工的刀具提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。選擇合適的刀具對于提高典型零件的加工效率，保證加工質(zhì)量穩(wěn)定性至關(guān)重要。同時，刀具材料、涂層技術(shù)和刀具結(jié)構(gòu)的快速創(chuàng)新推動了切削加工技術(shù)的快速發(fā)展，為提高加工效率，保證加工質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本提供了強(qiáng)大支撐。因此，通過評價刀具性能來實(shí)現(xiàn)刀具優(yōu)選就變得格外重要。”
整體葉盤的工藝難點(diǎn)諸多，它尺寸大，范圍寬，外徑輪廓一般在Φ600~Φ1200mm，需要較大規(guī)格的加工設(shè)備；它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其盤和葉片采用一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，葉片為空間自由曲面，尤其是風(fēng)扇整體葉盤的葉片，為寬弦、大扭角，通道開敞性差，鼓筒與葉片連接處型面較為復(fù)雜，機(jī)械加工難度很大，確定五軸加工方式、解決多約束加工干涉、計算復(fù)雜刀軸矢量計算等問題至關(guān)重要；同時，尺寸、形位公差和表面粗糙度設(shè)計精度高，其尺寸和形位公差一般要求在自由狀態(tài)下檢測，而整個加工過程零件處于限位狀態(tài)，兩者的狀態(tài)會有一定的差異，因此，加工過程會扣嚴(yán)公差，導(dǎo)致加工難度更大；整體葉盤的葉片部分是懸臂結(jié)構(gòu)，葉片壁厚又薄，整體葉盤的剛性比較弱，在加工過程中容易產(chǎn)生顫振和變形，因此，在夾具設(shè)計和加工工藝方面需要采取一定的措施，來解決顫振和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金，這樣的難加工材料，切削加工困難，需要選擇適合整體葉盤切削加工的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及幾何尺寸。
圖1. 整體葉盤基準(zhǔn)件三維圖，主要包含葉片和流道兩種典型難加工結(jié)構(gòu)特征
此次作為研究選定的整體葉盤基準(zhǔn)件材料為鈦合金TC4，輪廓尺寸為100mm×53mm×63mm，葉片高度為30mm，最薄處小于2mm，流道圓弧半徑為480mm，轉(zhuǎn)接圓弧半徑為4mm，底部裝夾高度為30mm。為了提高粗銑加工的效率和保證加工穩(wěn)定性，整體葉盤基準(zhǔn)件將葉片的自由曲面簡化為直紋面來降低粗銑加工的難度，可實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)銑加工葉片。該基準(zhǔn)件忽略次要特征，包含了整體葉盤葉片和流道兩種最典型結(jié)構(gòu)特征。
工藝路線與加工
粗加工策略。粗加工的目的是完成葉片之間主要加工余量的去除以及葉片后續(xù)加工余量的均勻化。整體葉盤基準(zhǔn)件粗加工開槽采用大進(jìn)給刀具，采用型腔銑，封閉區(qū)域螺旋進(jìn)刀，開放區(qū)域線性進(jìn)刀，余量為0.6mm。WSM35S、WSP45S刀片切削參數(shù)為切削速度Vc=80m/min，每齒進(jìn)給量fz=1mm/Z，徑向切深ae=12.5mm，軸向切深ap=0.6mm。
圖2 整體葉盤基準(zhǔn)件粗加工走刀軌跡圖例
實(shí)際加工采用了WALTER機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位大進(jìn)給刀片，刀具直徑為25mm，刀桿牌號為F4030.T22.025.Z02.01，刀片牌號分別為P23696-1.0 WSM35S、P23696-1.0 WSP45S，該系列刀具前角為16°，后角為14°。
圖3 .粗加工刀柄及其刀片
半精加工策略。半精加工的目的通常是平滑光整地加工粗加工后的殘留加工面，或者是對拐角處進(jìn)行清角，從而使工件加工表面余量均勻，為精加工作好準(zhǔn)備。整體葉盤基準(zhǔn)件葉片頂部半精加工采用平面銑，去除葉片頂端余量，封閉區(qū)域螺旋進(jìn)刀，開放區(qū)域線性進(jìn)刀。
選用了WALTER整體硬質(zhì)合金刀具H7073717-12-2，其切削參數(shù)為切削速度Vc=90m/min，每齒進(jìn)給量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系列的整體硬質(zhì)合金刀具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.整體葉盤基準(zhǔn)件半精加工走刀軌跡圖例
精加工策略。精加工的目的是為了保證良好的加工質(zhì)量和尺寸精度，精加工直接決定了實(shí)際的加工效果是否能夠達(dá)到實(shí)際需求。精加工時，分別采用不同的方法先加工葉片特征，后加工流道特征。葉片采用可變輪廓銑，曲面驅(qū)動方法，投影矢量為朝向驅(qū)動體，刀軸采用側(cè)刃驅(qū)動體，側(cè)傾角為10o，進(jìn)刀方式為線性-垂直于部件，切削參數(shù)為切削速度Vc=60m/min，每齒進(jìn)給量fz=0.04mm/Z，徑向切深ae=0.3mm，軸向切深ap=1.2mm。流道也采用可變輪廓銑，曲面驅(qū)動方法，投影矢量為朝向驅(qū)動體，刀軸采用垂直于驅(qū)動體。進(jìn)刀方式為圓弧-垂直于部件，切削參數(shù)為切削速度Vc=80m/min，每齒進(jìn)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WALTER整體硬質(zhì)合金刀具，精加工球頭刀具刀具牌號為H7073717-12-2。
圖5 精加工球頭刀具
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)所制定的加工策略以及刀具的切削參數(shù)，最終加工出整體葉盤基準(zhǔn)件（共兩塊）驗(yàn)證不同刀具的切削性能，整體葉盤基準(zhǔn)件粗加工結(jié)果如圖6所示。
圖6. 整體葉盤基準(zhǔn)件粗加工后圖例
粗加工各刀片試驗(yàn)結(jié)果：
如上是兩種刀片加工基準(zhǔn)件的流道特征時后刀面磨損的測量結(jié)果，后刀面磨損VB為相應(yīng)刀具加工完流道特征后的后刀面磨損量，金屬去除率可利用切削參數(shù)計算得到。
而根據(jù)如上的測量和計算結(jié)果，運(yùn)用所構(gòu)建的粗加工模型可對加工刀具進(jìn)行灰色綜合評價。粗加工各刀片性能灰色綜合評價結(jié)果：
運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對刀具性能進(jìn)行評價的關(guān)鍵在于計算出加權(quán)關(guān)聯(lián)矢量γ′，利用最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi來決定相對最優(yōu)切削刀具。在基準(zhǔn)件流道特征的粗加工過程中，加權(quán)關(guān)聯(lián)矢量γ′=(1，0.553)，最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi=max(1，0.553)=γ1，所以刀片WSM35S的切削性能優(yōu)于刀片WSP45S。同時可知，兩種刀片金屬去除率相同，可直接通過后刀面磨損判斷刀具性能優(yōu)劣，但金屬去除率相同屬于巧合情況，并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(zhǔn)件精加工裝夾圖
圖 8 整體葉盤基準(zhǔn)件精加工后圖
精加工各刀具試驗(yàn)結(jié)果：
以上為精加工評價指標(biāo)表面粗糙度、尺寸誤差、后刀面磨損的測量結(jié)果，各指標(biāo)的測量結(jié)果是加工完葉片和流道特征后的測量結(jié)果。根據(jù)于此，運(yùn)用所構(gòu)建的精加工模型對加工刀具進(jìn)行灰色綜合評價，評價結(jié)果如下所示。
精加工各最優(yōu)刀片性能灰色綜合評價結(jié)果：
通過用所建立的灰色綜合評價模型分別評價粗、精加工刀具，最終得出以下結(jié)論。
（1）典型結(jié)構(gòu)特征對于刀具的性能有著重大的影響，同一種刀具加工不同的結(jié)構(gòu)特征將會體現(xiàn)出不同的切削性能，故有必要針對不同的結(jié)構(gòu)特征優(yōu)選刀具，提高加工效率的同時并保證加工質(zhì)量及穩(wěn)定性。
（2）粗加工整體葉盤基準(zhǔn)件的流道特征時，在相同切削參數(shù)條件下，刀片WSM35S的切削性能優(yōu)于刀片WSP45S。精加工整體葉盤基準(zhǔn)件的葉片和流道特征時，WALTER 4齒球頭刀具的綜合切削性能均優(yōu)于其他品牌齒球頭刀具的綜合切削性能。
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