燃氣輪機零件上凹槽的高效仿形加工
2009-07-10 17:08:53
環(huán)、盤、軸和機匣——這類燃氣輪機發(fā)動機零件一般具有相對復雜的形狀，通常需要在狹窄受限的空間內(nèi)進行凹槽的仿形車削。這些零件的材料一般可加工性較差，高切削力、高切削溫度和較強的溝槽磨損趨勢對高效切削加工和切削刃提出了很高的要求，這就需要專門開發(fā)相應(yīng)的刀具和加工方法。
這些零件的供應(yīng)商正承受著日益增加的成本和時間壓力，以便盡可能高效地進行生產(chǎn)和交貨，保持競爭力，始終站在機加技術(shù)的發(fā)展的前列。寬槽仿形加工在整個切削時間中占據(jù)較大比重，因此人們便會格外關(guān)注專用于此領(lǐng)域的最新刀具技術(shù)。
圓形
當然出于強度原因，燃氣輪機零件的大多數(shù)內(nèi)外槽形總帶有圓弧面和一些復雜曲面。為了加工寬槽或凹窩，大小合適的可轉(zhuǎn)位圓刀片就成為自然而然的解決方案。圓形切削刃具有很多優(yōu)勢，例如：
● 最為堅固的切削刃
● 允許采用更高的進給量
● 能夠生成合適的表面質(zhì)量
因此，圓刀片在此加工領(lǐng)域的應(yīng)用增長極快，這也具體反映了最近在刀片槽形和材質(zhì)開發(fā)方面所獲得的巨大成功。
幾乎所有刀片都有刀尖圓弧半徑，在這點上，圓刀片可以說其整個切削刃均以刀尖圓弧半徑的形式存在。它們可以是用在普通車刀上的用螺釘夾緊的真正的圓刀片，也可是用在切槽刀板上的有圓弧刃口的切槽刀片，或是非標的彎頭圓弧頭刀片以獲得最大的刀具可達性。 對于以上這些刀具類型，最佳的刀具切削路徑，圓刀片的尺寸以及工件的輪廓半徑是密切相關(guān)的。
要求苛刻的切削
在加工由難加工材料（如耐熱超級合金或鈦合金）構(gòu)成的燃氣輪機零件時，一定要謹慎選擇刀具、切削參數(shù)和走刀路徑。例如，對于同樣的刀片材質(zhì)和槽形，選擇正確的切削刃（刀片）形狀可以使刀具壽命延長8倍。此處所說的工件材料可加工性較差，對于這些具有很高強度和耐熱屬性的材料來說這是個折中選擇。切削力和切削區(qū)溫度要高于其他材料；切削刃上的壓力集中在較小的切削區(qū)域且變化劇烈，造成刀具在局部區(qū)域的磨損劇烈；并且切屑形狀也不利于切槽時排屑。此外，為耐熱合金所選擇的刀具應(yīng)該與切削鈦合金的刀具有所不同。
就目前來講，仿形加工這些零件上的凹槽時值得進行優(yōu)化的地方很多，這不僅可縮短加工時間，還能確保加工過程的安全性以及零件質(zhì)量的一致性，并由此而降低廢品率。在為隨后的粗加工或精加工工序選擇最先進和最合適的圓（刀片）刀具后，接下來就是對切削參數(shù)進行優(yōu)化。此舉是為了控制切削熱、改善刀具壽命和切屑形成。
當提到使用圓刀片時，確保正確的切屑厚度、切削深度和進給量顯得尤為重要。切削刃的主偏角是確定切屑厚度的關(guān)鍵，在加工耐熱合金時起到了至關(guān)重要的作用。這對遏制耐熱超級加工時的溝槽磨損，以及鈦合金加工時對長切屑的控制有著重要的影響。這就需要選擇合理的進給量以便形成足夠厚的切屑，而又不會對切削刃產(chǎn)生負面影響。
對硬質(zhì)合金和陶瓷刀片來說，加工這些材料時具有截然不同的的切削速度限制值。對于陶瓷刀片，需要謹慎的平衡所產(chǎn)生的切削熱：足以使工件材料發(fā)生塑性變形而形成切屑，但又不可過度以免對刀具材料產(chǎn)生有害影響。對于硬質(zhì)合金刀片，切削速度受到限制（通常較低）。從生產(chǎn)效率的觀點來看，采用較高的進給量通常是有利的，而此時刀具壽命會稍有降低。
圓刀片
具有從0度至90度連續(xù)可變的主偏角，具體取決于參與切削的切削刃長度。 圓刀片具有最為堅固的切削刃，且對走刀方向限制較少。對于適合耐熱超級合金切削的陶瓷刀片以及適合此類合金與鈦合金切削的硬質(zhì)合金刀片，采用圓刀片時可獲得令人滿意性能的最大切削深度應(yīng)為刀片直徑（IC）的25%（對應(yīng)于60度的主偏角）。過多的切削深度會導致振動趨勢加劇和性能不穩(wěn)定。當切削深度為刀片直徑的15%（對應(yīng)于45度的主偏角）或更低時，可以獲得最佳性能。采用較小主偏角所形成的切屑較薄，這意味著可降低溝槽磨損的趨勢并有提高進給量的潛力。根據(jù)相應(yīng)的推薦值，考慮到合適的最大和最小切屑厚度，切削深度與刀片直徑IC比值介于0.05（對應(yīng)于26度主偏角）到0.15（對應(yīng)于45度主偏角）之間時的進給量修正系數(shù)為2.3到1.4。
可見，使用圓刀片時，切削深度與刀片直徑之比對金屬去除率、切削時間、編程可能性、表面質(zhì)量以及切槽和仿形加工工序的安全性都具有相當大的影響。
車削凹槽時，排屑是成功的關(guān)鍵因素之一。對于鈦合金，通常希望得到切屑寬度小于刀片（凹槽）寬度的較長的螺旋或螺卷屑。鈦合金形成切屑時剪切變形極高，因而較難形成更窄切屑，這需要選擇最合適的刀片槽形和進給量。在所選槽形的工作范圍內(nèi)，刀具壽命也是確定最佳進給的影響因素之一。
這里所指的零件需要進行很多寬槽加工，這樣就有機會通過應(yīng)用最合適的刀具和走刀路徑對切削進行優(yōu)化。毫無疑問，所有凹槽都有側(cè)壁。如果不采取相應(yīng)措施，刀具在切進側(cè)壁時會導致切削刃吃刀突然過多的不利情況。當切削到底部與側(cè)壁過渡圓角時，切削刃會經(jīng)歷切削深度突然增加的沖擊：其主偏角從低于45度快速增至100度R
