伊斯卡直面航空工業(yè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造的挑戰(zhàn)
2018-7-26 來(lái)源：伊斯卡 作者：Yaniv Metz, 切槽加工產(chǎn)品經(jīng)理
對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料要求必定非常嚴(yán)格。因其必須承受極端高溫及作用力，并盡可能地輕且極為可靠。
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可被簡(jiǎn)單地劃分為三個(gè)部分 – 壓氣機(jī)，燃燒室和渦輪。在空氣進(jìn)入燃燒室之前，壓氣機(jī)對(duì)流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣加壓；在燃燒室里空氣與燃料混合，點(diǎn)燃并燃燒。 壓氣機(jī)部件主要由鈦合金制成，而燃燒室和渦輪部件通常由鎳基超級(jí)合金制成，例如Inconel 718。
一．鎳基合金
鎳基高溫合金具有卓越的物理性能，這一特性使其成為制造航空零部件的理想材料。鎳基高溫合金適用領(lǐng)域?qū)挘瑴囟茸V范圍廣。該材料具有高屈服強(qiáng)度，高極限抗拉強(qiáng)度，高抗疲勞強(qiáng)度，在高溫下保持耐腐蝕耐氧化性的特性。
鎳基高溫合金，Ni含量35-75%，Cr含量15-22%；滿足了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造總材料需求的30%；還被用作航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)不同零部件的結(jié)構(gòu)材料。用于制造燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)部件，包括盤(pán)類(lèi)、葉片類(lèi)、殼體部件（如渦輪機(jī)機(jī)殼）、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件及泵，占航空航天工業(yè)消耗鎳基高溫合金總量的80%。
鎳基合金憑借其性能為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料提供了出彩的選擇，然而同時(shí)也給加工帶來(lái)了巨大的困難。因加工鎳基合金過(guò)程中產(chǎn)生高剪切應(yīng)力且熱傳導(dǎo)系數(shù)低，使得切削區(qū)域的切削力及切削溫度非常高。加上鎳基高溫合金與刀具材料的物理化學(xué)反應(yīng)，引起切屑刮擦及粘焊于工件表面，導(dǎo)致刀具過(guò)度磨損，這使得切削速度受限，刀具壽命降低。以上這些特性不僅拉低了材料去除率，縮短了刀具壽命，還使得加工成本大幅上升。
二．鈦基合金
對(duì)先進(jìn)的航空航天系統(tǒng)而言，鈦合金具有高強(qiáng)度重量比，出色的耐腐蝕性，鈦合金部件使用起來(lái)非常趁手。鈦基合金Ti含量86-99.5%，Al含量5-8%，幾乎不受暴露在航空航天環(huán)境下的影響。大量的鈦合金材料被用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金部件占噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)重量的25-30%，主要用于壓氣機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行離不開(kāi)鈦合金部件，如風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子、盤(pán)類(lèi)零件、輪轂和其它非轉(zhuǎn)子部件（例如進(jìn)氣引導(dǎo)葉扇）。
鈦合金性能優(yōu)異、輕質(zhì)，不僅令航空工程師們得以設(shè)計(jì)出飛得更高更快的飛機(jī)；還使得飛機(jī)對(duì)極端環(huán)境耐受性高。然而，鈦本具的物理性能、化學(xué)性能及機(jī)械加工性能使其一直以來(lái)都被視為難加工材料。
鈦材料具有相對(duì)耐高溫性、低熱傳導(dǎo)性，使得產(chǎn)生的切削熱不易從刀具切削區(qū)域散導(dǎo)出去，引起刀具過(guò)度變形，過(guò)度磨損。在高溫下，鈦合金依然能保持其強(qiáng)度，加工的結(jié)果是切削刀具出現(xiàn)相對(duì)高的塑性變形，產(chǎn)生深的溝槽磨損。在加工過(guò)程中，因鈦合金的高度化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致切屑冷焊于切削刀具上，產(chǎn)生積屑瘤，進(jìn)而引起斷屑問(wèn)題。
在過(guò)去的數(shù)年間，伊斯卡在研發(fā)方面投入大量的資源以打破以上這些加工困境，優(yōu)化鎳基高溫合金及鈦基高溫合金的加工。其解決方案包括專(zhuān)業(yè)推出專(zhuān)用牌號(hào)；推進(jìn)高壓冷卻技術(shù)落地到切削刀具以解決切削熱散熱問(wèn)題。
三．伊斯卡牌號(hào)
為實(shí)現(xiàn)高金屬去除率，伊斯卡研發(fā)了以下能實(shí)現(xiàn)以200 – 400m/min的切削速度加工鎳基合金的陶瓷牌號(hào)：
IW7 – 晶須陶瓷牌號(hào)，兼具高硬度及高韌性，能以比硬質(zhì)合金牌號(hào)快 8-10 倍的切削速度進(jìn)行粗加工及半精加工；
IS25 – 強(qiáng)固的賽阿龍（SiAlON）合成牌號(hào)，在鎳基高溫合金的連續(xù)切削及輕微斷續(xù)切削加工中表現(xiàn)優(yōu)異；
IS35 - 強(qiáng)固的賽阿龍（SiAlON）合成牌號(hào)，在鎳基高溫合金的輕微斷續(xù)切削及重型斷續(xù)切削加工中表現(xiàn)出色。
以下合金牌號(hào)用于有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)加工鎳基合金及鈦合金的刀具：
IC806 – 高強(qiáng)度超細(xì)晶粒基體，TiAlN (PVD) 涂層。包括特殊的涂層后處理技術(shù)在內(nèi)的特別的涂層工序，使得涂層更薄更光滑，賦予刀片更出色的鎳基合金及鈦合金加工特性；
IC804 – 在硬度更高的基體上采用同樣的TiAlN (PVD) 涂層，特別設(shè)計(jì)用于加工最新的硬度高達(dá)HRC40-47的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基合金部件；
IC20 – 非涂層合金牌號(hào)，特別推薦用于鋁合金及鈦合金的加工。IC20主要用于連續(xù)切削加工，表現(xiàn)出色。
四．高壓冷卻刀具
在金屬去除領(lǐng)域，高壓冷卻已存在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。今天，尤其是在設(shè)定諸如鈦合金及鎳基合金這類(lèi)難加工材料的加工工藝時(shí)，高壓冷卻刀具因能顯著提高生產(chǎn)率及切屑控制，所以扮演著越來(lái)越重要的角色。借助于高壓冷卻是使得冷卻射流精準(zhǔn)直達(dá)切削區(qū)域沖刷出切屑的關(guān)鍵。
伊斯卡是最早對(duì)市場(chǎng)需求做出回饋的切削刀具制造商之一，通過(guò)研發(fā)、生產(chǎn)制造切削刀具以合理地將高壓冷卻用于降低切削溫度，調(diào)整切屑流，提供包括JETCUT在內(nèi)的定制高壓冷卻刀具。
航空部件OEM/PMA部門(mén)不僅需要持續(xù)面對(duì)成本降低的壓力，同時(shí)還得保證所制造部件的品質(zhì)和壽命。而這對(duì)所有相關(guān)人員而言都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。伊斯卡改進(jìn)型切削刀具在使得噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)制造商們自如地采用理想的材料生產(chǎn)制造高品質(zhì)零部件的同時(shí)，還將損耗降到最低，效率最大化。
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