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五轴加工在航空发动机钛合金叶轮上的难点分析

2012-07-04  来源:《金属加工》冷加工  

  作为国民制造业的重用组成部分——航天航空制造业,其高新技术装备及产品的更新换代,既需要“高、精、尖”的数控加工设备,也迫切需求先进的制造工艺技术来满足复杂的产品结构变化和难加工材料的广泛应用。

  在数目庞大的航空零部件中,航空发动机作为飞行器的动力核心,其零件的主要材料是钛合金和高温合金。钛合金零件多用于航空发动机的冷端部分(风扇和压气机等),而热端部分(涡轮机等)主要为高温合金零件。

  1. 加工难点分析

  本文所研究的整体离心式叶轮,表面粗糙度值要求为Ra=1.6μm。叶片曲面为自由曲面且曲率变化大,轮廓精度要求达到0.05mm以内。

  从叶轮的结构上分析,由于流道狭窄,极易发生加工刀具与临近叶片碰撞干涉,需要机床摆动轴具有较大的摆动范围,以有利于刀具在有限空间中避让干涉。叶片根部间距约1.2mm,根部圆角要求小于R2mm,而叶片长度又超过40mm,如何实现快速的去除余量,需要结合考虑钛合金材料特点、刀具设计和机床主轴的刚性。叶片厚度较薄,最薄部位为0.5mm,最厚的部位也仅3mm(见图1)。

  加工过程中如何克服振动,实现较好表面加工质量?除了高速主轴和能实现高速加工钛合金材料刀具的选择,也要求机床在联动加工过程动态性能稳定。

  从叶轮材料上分析,钛合金以其优良的力学性能被广泛地作为叶轮的材料,但钛合金在机械加工中属于难加工材料,其加工困难主要表现在以下几点:

  (1)切削温度高

  由于钛合金的导热系数很小(仅为铁的1/5、铝的1/14),切削时产生的切削热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高,造成工件烧灼,致使刀具材料软化加快刀具的磨损,这是钛合金加工的一个显著特点。

  (2)钛的化学活性大

  在高温下易与大气中的氧、氮、氢等发生强烈化学反应,生成TiO2、TiN、TiH等硬脆层,造成已切削区域与未切削区域的硬度不均匀,刀具受力不均,加剧刀具的磨损。

  (3)弹性恢复大

  钛合金弹性模量为107.8GPa,约为钢的1/2,在切削力作用下,会产生大的切削变形以及大的弹性恢复。综上所述,如何提高此类叶轮的加工效率(从30h的加工时间缩短到18h的加工时间)和叶片成形质量,需要综合考虑各项因素选定合适设备和设计合适的工艺方案。

  2.加工方案

  (1)机床选择

  为了缩短加工时间,粗加工需要高效率的去余量。在低转速、大切深的加工状态中,冲击载荷在主轴的最大转矩承受范围内将有利于刀具的加工稳定性。

  机床选择的同时要考虑加工材料的加工特性。叶片是钛合金(Ti6Al4V)材料,加工切削速度宜低,加工时要避免切削温度过高,使钛合金从周围大气中吸收氧和氢,产生组织变化从而使加工表面强化。考虑到这种加工材料,切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下切削,有利于提高刀具寿命。

  (2)工装夹具

  工装不仅仅起着工件与工作台的连接作用,更重要的是能够在加工中稳固工件,防止振动。如果采用专用具有吸振功能的专用夹具,对改善工件表面质量会大有裨益。

  同时需要注意的是,当加工过程中摆动轴有较大的摆动角(超过90°),需要考虑工件距离工作台面的最小距离,避免主轴与工作台的碰撞干涉,如图4b所示。

  图4a为适合单件、小批量生产的工装夹具。对于大批量生产类型的企业,建议采取专用的托盘交换定位系统如图4c所示。

  (3)切削刀具、加工工艺和切削参数

  为了实现效率的最优化,我们选择专用的钛合金加工刀具。粗加工刀具选择直径8mm的牛鼻刀(φ8R 1mm),以适应低转速、深加工、大去屑量的工艺特征。刀具刃部呈现锯齿状,可防止大颗粒切屑的形成且有利于切屑的脱离。粗加工工艺设置上,切深(ap)达8mm,刀具在满刀切削时会受到反向作用力,因为采用普通弹簧卡套刀柄夹持刀具容易被拉出,所以选择侧固式锁紧刀柄。粗加工刀路1:在两叶片中间区域,五轴联动模式满刀切削,单层切深8mm;之后再向两侧偏移,最大侧向进给(ae)值6mm;最大摆角达到(A 轴)-102.6°(见图5)。采用这种工艺方案大大缩短流道开粗的加工时间,具体工艺参数如表1所示。

  根据叶片根部圆角规定(R≈1.5mm)和图6中叶片外缘最小距离(9.9mm),第二次粗加工和精加工的刀具采用特殊的锥形球刀:顶端为R1.5mm的球,柄径直径为8mm,中间以6°锥形角连接。同时,为了能够充分冷却深窄空间内的加工刀具和有利于切屑排出流道中,应该考虑采用带有中心内冷通道的热涨式刀柄(见图6)。

  粗加工刀路2:对于流道根部狭窄区域,我们尝试两种可行工艺方案。第一种方案采用摆线加工方式逐步由外向内去除余量,单层加工深度12mm,共分两层,而侧向进给控制为0.13mm,可以实现大切深加工而提高去屑量。但是采用摆线加工,在进入流道空间内部刀路会有突变尖点,容易造成刀具崩刃。工艺参数如表2所示,刀路轨迹如图7所示。

  在第二种加工方案中,为了避免刀具在突变尖点处加工实体。采用开放式加工刀路先将两叶片中间区域余量切除,单层切深2mm,共12层。然后在流道底部用摆线加工方式,利用锥形刀具切削刃足够长(32mm)的特点,用侧刃逐步加工到位。刀路轨迹如图8所示。

  完成粗去余量后,精加工叶片和流道所受限制因素,相比较而言比较少。

  3.结语

  结合加工零件材料特性和产品结构特点,如何有效地提高效率和保证工件质量是工程技术人员研究的重点。

 

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