航空發動機是由多種類型零部件組成,可以在高溫、高壓、高轉速和不斷變換工作狀態的惡劣環境中工作的高度復雜和精密的熱力機械,追求更輕量化、更大推力、更高可靠性、更長壽命、更低油耗、更低成本是提升航空發動機性能的永恒主題,這也促使發動機結構越來越集成、設計越來越復雜。 現代航空發動機設計采用了許多新技術、新材料、新結構來滿足苛刻的性能要求,高溫和承力結構件多采用整體結構,零件結構復雜、加工精度高,表面粗糙度及表面質量要求高,其先進制造技術對相應的加工機床與裝備需求十分迫切。
在實際加工中刀具的選擇應考慮以下幾個因素:工件材料、工件形狀、加工要求、加工機床、系統剛性以及表面質量技術要求等。 以渦輪機匣零件為例: 1. 從工件材料上分析,變形高溫合金、鑄造高溫合金等難加工材料大量采用,這些難加工材料導熱系數小、強度大、切削溫度高,易產生加工硬化,切削時刀具磨損快,刀具壽命短,刀具消耗量大,因此必須合理選擇刀具幾何角度。 2. 從工件結構上來看,壁薄、剛性差、難加工。加工零件凸起部分時,刀具系統容易與零件、夾具干涉,因此,必須對刀具路徑進行優化,如插銑加工代替側銑,空行程快速走刀,優化抬刀位置,采用螺旋插補等方式進行銑削。 3. 從加工工序上分析,機匣需要經過粗加工、半精加工、精加工,為了節省刀具費用,在制造這類零件時,粗加工時可采用高性能陶瓷銑刀,半精加工和精加工時采用標準硬質合金刀具和非標高性能專用刀具,這樣可顯著提高生產效率。 4. 從加工經濟性方面上來說,刀具配置方案需要不斷改進,盡量采用刀具商最新研發的產品。
航空發動機的渦輪盤、整體葉盤、渦輪葉片等零件的材料大多為鈦合金和鎳基高溫合金,如圖所示,由于大多是薄壁件,因此對其制造精度要求極高,對其加工刀具要求亦很高。高溫合金加工時由于其切削力大、加工硬化傾向大、切削溫度高、刀具磨損嚴重使其成為典型的難加工材料。 高溫合金家族共有的特點:導熱性差、彈性模量小、化學活性高和摩擦系數大,還具有其他高溫合金不具備的高強度、高韌性和高硬度的特點使得其歸屬于難加工材料行列。在車削過程中主要表現在切屑與前刀面接觸面積小,刀尖應力集中,切削溫度高,切屑不易折斷并且鋸齒化嚴重,刀具磨損嚴重,導致加工效率很低,工件加工表面質量較差。